水下等離子體聲源放電開關(guān)及控制電路設(shè)計*

周 進(jìn) 李 亮 楊曉樂

（1.海軍702廠 上海 200434）（2.中國人民解放軍92785部隊 秦皇島 066000）（3.海軍工程大學(xué)電子工程學(xué)院 武漢 430033）

1 引言

放電開關(guān)在水下等離子體聲源系統(tǒng)中不僅可以實現(xiàn)充電系統(tǒng)和放電系統(tǒng)的隔離，更重要的是它可以在控制電路的控制下實現(xiàn)放電時間的可控［1］。特別是利用編碼控制放電開關(guān)，可以實現(xiàn)有規(guī)律的放電，能產(chǎn)生攜帶編碼信息的聲脈沖，達(dá)到信息傳輸?shù)哪康摹?/p>

2 基本原理

放電開關(guān)是連接儲能電容和放電電纜的重要裝置，它將儲能電容與放電回路隔離開，以保證儲能電容能順利完成充電，防止邊充電邊漏電的發(fā)生。同時放電開關(guān)可以精確控制放電系統(tǒng)的放電時機(jī)，只有當(dāng)觸發(fā)放電開關(guān)時，儲能電容才與放電回路導(dǎo)通，存儲的能量迅速通過放電電纜和放電電極釋放［2］。瞬間的高電壓大電流使得在選擇和設(shè)計放電開關(guān)時，要充分考慮放電開關(guān)的耐高壓性、通流性和開關(guān)時間。

三電極火花隙開關(guān)和晶閘管開關(guān)常被用于聲源系統(tǒng)。三電極火花隙開關(guān)電流上升速率可達(dá)1 kA s，開關(guān)時間短且能承受高電壓（可達(dá)MV級）和大電流（可達(dá)MA級），開關(guān)結(jié)構(gòu)簡單，使用比較廣泛［3］，如圖1所示。

由圖1可看出，當(dāng)儲能電容C電壓為高壓U時，電壓不足以擊穿兩電極G1與G2使其導(dǎo)通，當(dāng)觸發(fā)電路產(chǎn)生一個負(fù)電壓脈沖U1加載到G0電極時，G1與G0之間電壓差增大并且先行擊穿導(dǎo)通，這時G0上的電壓為U+U1，G0與G2之間距離較短且電壓增加，達(dá)到擊穿條件，G0與G2擊穿導(dǎo)通，這時間隙開關(guān)G1與G2導(dǎo)通。

圖1 三電極火花隙開關(guān)示意圖

晶閘管開關(guān)由半導(dǎo)體構(gòu)成，半導(dǎo)體反應(yīng)速度快開關(guān)時間短，且密閉干擾小。觸發(fā)信號可編碼控制，可實現(xiàn)放電的頻率調(diào)節(jié)，更好掌控放電時間。晶閘管開關(guān)相對于火花隙開關(guān)體積小，易于系統(tǒng)的小型化［4］。電壓和電流相比火花隙開關(guān)相對較小，但將晶閘管并聯(lián)、串聯(lián)使用，可以提高開關(guān)的通流能力和耐壓能力。

與三電極火花隙開關(guān)相比，晶閘管開關(guān)優(yōu)勢明顯：

1）壽命長：三電極火花隙開關(guān)在導(dǎo)通時，會在電極間放電，三電極燒蝕嚴(yán)重，即使在電極端部使用銅鎢合金，也會由于氧化作用降低開關(guān)壽命。而晶閘管開關(guān)為半導(dǎo)體器件，半導(dǎo)體的固有特性，決定了晶閘管開關(guān)的使用壽命較長［5］。

2）可靠性高：三電極火花隙開關(guān)在導(dǎo)通瞬間，電極的機(jī)械觸點要承受大電流的沖擊、震動，使用次數(shù)過多后，機(jī)械觸點松動，晶閘管開關(guān)卻不存在這一缺點。

3）可編碼控制、觸發(fā)功率?。壕чl管開關(guān)使用邏輯電路控制，易于編碼控制，更適合于對聲脈沖編碼的要求，并且晶閘管開關(guān)的觸發(fā)電壓小，觸發(fā)功率低，相比于三電極火花隙開關(guān)的負(fù)高電壓觸發(fā)容易實現(xiàn)。

4）抗干擾能力強(qiáng)：晶閘管開關(guān)為半導(dǎo)體器件，結(jié)構(gòu)密閉，受外界電磁干擾小，觸發(fā)電路與晶閘管之間使用光耦隔離，避免開關(guān)導(dǎo)通時對邏輯控制電路的影響。

5）體積小，便于設(shè)備的小型化。

根據(jù)上述優(yōu)點，結(jié)合水下等離子體聲源發(fā)信特點，系統(tǒng)應(yīng)選用容易實現(xiàn)編碼控制的晶閘管作為放電開關(guān)。

3 電路設(shè)計

通常耐壓較高的晶閘管被用于電路設(shè)計。但單個晶閘管耐壓受到一定限制，所以可以將多個晶閘管串聯(lián)作為開關(guān)使用，以提高整個放電開關(guān)的電壓等級。

晶閘管開關(guān)的串聯(lián)使用會導(dǎo)致晶閘管之間分壓不均，嚴(yán)重時甚至能造成晶閘管的擊穿損壞。為了解決這一問題，可以在選用器件時挑選參數(shù)盡量一致的晶閘管，同時還可以通過靜態(tài)保護(hù)和動態(tài)保護(hù)電路的方法來解決［6］。本文以基于放電電壓Uc=10kV的系統(tǒng)，分析并計算晶閘管開關(guān)及保護(hù)電路的具體參數(shù)。

3.1 晶閘管開關(guān)電路設(shè)計

晶閘管用做水下等離子體聲源放電開關(guān)時，由于放電電壓較大，如果僅使用一片晶閘管，這就要求晶閘管的額定電壓很大，然而額定電壓大的晶閘管生產(chǎn)工藝難度高，造價昂貴，而且市場上比較少見，因此在高電壓放電系統(tǒng)中，常常選用多個晶閘管串聯(lián)的方法來增加整個開關(guān)的耐壓。串聯(lián)晶閘管開關(guān)電路結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 晶閘管串聯(lián)開關(guān)結(jié)構(gòu)圖

控制電路在門極輸入信號，控制晶閘管導(dǎo)通，儲能電容的高電壓加載在晶閘管陰極與陽極之間，當(dāng)導(dǎo)通時，電容通過晶閘管迅速放電，當(dāng)放電后期電流小于晶閘管維持電流Ih時，晶閘管開關(guān)關(guān)斷，放電停止，儲能電容繼續(xù)充電，完成一個放電周期。

晶閘管串聯(lián)開關(guān)在使用時還要注意以下幾點：

1）門極加載觸發(fā)信號時間必須少于放電時間；晶閘管導(dǎo)通后要及時關(guān)閉觸發(fā)信號［7］。

2）由于晶閘管串聯(lián)開關(guān)在導(dǎo)通時所有串聯(lián)的晶閘管需要同步導(dǎo)通，所以要盡量減小串聯(lián)晶閘管的數(shù)量［7］，降低同步的困難。

3）串聯(lián)晶閘管存在靜態(tài)和動態(tài)分壓不均問題，需要保護(hù)電路來調(diào)節(jié)電壓平衡。

4）選用的晶閘管參數(shù)要盡可能地接近或者相同，這樣可以減小晶閘管串聯(lián)帶來的均壓不平衡問題。

晶閘管器件的過電壓能力較差，通常要降壓使用，以保護(hù)晶閘管不被損壞。考慮到脈沖放電中的過壓問題，通常在電路設(shè)計中采用降壓措施。晶閘管額定電壓通過式（1）獲得［8］。以放電電壓Uc=10kV的聲源系統(tǒng)為例，由于串聯(lián)晶閘管的片數(shù)要盡量的少，當(dāng)選取兩片晶閘管串聯(lián)作為放電開關(guān)時，可求得晶閘管額定電壓U為

根據(jù)式（1），算得5.5kV≤U≤6.5kV ，故選擇2片XFLJKP-400A7000V晶閘管串聯(lián)作為放電開關(guān)用于本電路設(shè)計。

3.2 靜態(tài)保護(hù)設(shè)計

串聯(lián)晶閘管開關(guān)處于斷態(tài)時，開關(guān)兩端承受放電電壓，由于器件的漏電電阻不同，導(dǎo)致晶閘管之間分壓不均衡。通過靜態(tài)分壓電阻Rp與晶閘管并聯(lián)的方式來維持電壓均衡，達(dá)到靜態(tài)均壓保護(hù)目的［9］，電路原理如圖3所示。

圖3 靜態(tài)保護(hù)示意圖

均壓電阻Rp要選擇適合的阻值，Rp不能太大，要遠(yuǎn)小于晶閘管漏電阻，并聯(lián)后電壓才會取決于均壓電阻［10］。同時，Rp不能過小，否則漏電流過大，開關(guān)起不到關(guān)斷的作用。靜態(tài)均壓電阻計算公式為

式中UTn為晶閘管額定電壓，IDRM為斷態(tài)重復(fù)平均電流。式（2）的計算方法，只考慮晶閘管額定參數(shù)下的阻值，沒有考慮在實際應(yīng)用中參數(shù)的變化，現(xiàn)實中選取計算后較大的阻值。

由于采用的晶閘管額定電壓為UTn=7000V，IDRM=10mA，可計算出均壓電阻為

實際使用的均壓電阻Rp=1MΩ。

3.3 動態(tài)保護(hù)

串聯(lián)晶閘管開關(guān)在處于開通狀態(tài)時，由于觸發(fā)信號存在微小時間差，或者晶閘管器件本身的開通時間不一致，造成晶閘管導(dǎo)通時間不同，雖然時間很短，但是在高壓系統(tǒng)中，會在后導(dǎo)通的晶閘管上產(chǎn)生瞬間高壓，當(dāng)電壓過高，足以擊穿晶閘管，使開關(guān)損壞。通常采用阻容吸收電路或瞬態(tài)電壓抑制（TVS）電路，來解決動態(tài)分壓不均的問題，實現(xiàn)動態(tài)保護(hù)［11］。

RC吸收電路，就是通過在晶閘管兩端并聯(lián)電阻Rs和電容C組成動態(tài)均壓網(wǎng)絡(luò)，對晶閘管實行動態(tài)均壓保護(hù)［12］，如圖4虛線框部分所示。

圖4 RC吸收保護(hù)示意圖

當(dāng)T1先開通時，電流流入RC吸收回路，加載在T2上的過壓分量就會很小，防止T2過壓較大而損壞。

吸收回路中電阻一般取10Ω～30Ω，電容的計算公式為

式（4）和（5）中，IT為晶閘管的額定電流，UTm為晶閘管開關(guān)兩端電壓，n為串聯(lián)晶閘管的個數(shù)，Uc為電容耐壓值。

選用的晶閘管IT=400A、UTm=10kV、n=2，可算得動態(tài)均壓電容 C=0.8μF～1.6μF ，電容的耐壓值Uc＞5kV 。根據(jù)計算，取 Rs=20Ω，C=1μF，Uc=5kV。

瞬態(tài)電壓抑制（TVS）電路，就是在晶閘管兩端并聯(lián)瞬態(tài)電壓抑制二極管［13］。

圖5 瞬態(tài)電壓抑制保護(hù)示意圖

如圖5所示，當(dāng)晶閘管兩端電壓過大時，并聯(lián)在其兩端的瞬態(tài)電壓抑制二極管承受瞬時高電壓，二極管被反向擊穿，二極管阻抗立即降到很低值，允許電流從二極管上通過，并將晶閘管兩端電壓控制在二極管保護(hù)范圍內(nèi)，有效防止晶閘管因為過壓而燒毀。

二極管1.5KE440AC相當(dāng)于兩個二極管反向串聯(lián)，它既可保護(hù)晶閘管。二極管的擊穿電壓范圍為440±22V，晶閘管的安全工作電壓為4200V～4900V，所以要串聯(lián)9個二極管，它們的擊穿電壓達(dá)到4000V左右，低于晶閘管的安全工作電壓。當(dāng)晶閘管導(dǎo)通時，出現(xiàn)瞬時高壓，瞬態(tài)電壓抑制二極管組將被擊穿導(dǎo)通，將電壓控制在安全范圍，保護(hù)晶閘管［14］。

瞬態(tài)電壓抑制二極管比RC吸收電路響應(yīng)時間短，電路結(jié)構(gòu)簡單，更便于設(shè)備小型化。

4 晶閘管開關(guān)控制電路設(shè)計

水下等離子體聲源放電系統(tǒng)中，放電開關(guān)的放電時機(jī)主要由加載在門極的控制信號來決定。用計算機(jī)輸出Matlab程序生成的編碼信息，通過一系列電路將編碼信息信號調(diào)整為能驅(qū)動晶閘管開關(guān)的控制信號，控制聲源系統(tǒng)的放電時機(jī)，使聲脈沖具有攜帶編碼信息的能力，控制電路結(jié)構(gòu)框如圖6所示。

圖6 晶閘管開關(guān)編碼控制電路框圖

4.1 信號放大電路設(shè)計

晶閘管開關(guān)編碼控制信號選用的脈沖位置調(diào)制（PPM）編碼方式，基于Matlab線性輸出PPM編碼信息。

但是，計算機(jī)聲卡輸出電壓幅度受到聲卡硬件的限制，所以要在聲卡輸出后連接運(yùn)算放大電路，運(yùn)算放大電路如圖7所示。

在圖7中，信號放大電路采用的是OP27雙電源供電芯片，計算機(jī)輸出的PPM調(diào)制信號通過整流二極管，濾掉負(fù)電壓部分，然后通過電容，濾掉交流部分，輸入到OP27。在電路中，電阻R17和R19決定了電路的放大倍數(shù)n=R17R19=10倍，芯片供電為±12V，輸入為1V，所以輸出為10V，完全滿足其他芯片驅(qū)動需要。

圖7 信號放大電路

4.2 功率放大電路設(shè)計

高壓大電流放電晶閘管，采用了放大門極結(jié)構(gòu)，門極溝道的長度比較長，因此需要強(qiáng)觸發(fā)才能縮小不同晶閘管的開通時延，從而減小動態(tài)均壓不平衡問題［15］。晶閘管開關(guān)導(dǎo)通的時間隨著觸發(fā)信號的電流增大而減小，隨著電壓的升高而減小，一般采用電流上升沿陡峭的脈沖波作為強(qiáng)觸發(fā)信號觸發(fā)晶閘管開關(guān)。晶閘管門極控制電壓VGT=2.17V，電流IGT=68mA，而大功率晶閘管需要強(qiáng)觸發(fā)，故要將PPM調(diào)制信號先進(jìn)行功率放大，然后作用到晶閘管的門極來驅(qū)動晶閘管導(dǎo)通，功率放大電路如圖8所示。

圖8 功率放大電路

當(dāng)PPM調(diào)制信號經(jīng)過運(yùn)算放大后，先通過反向器使其高低電平反向，然后信號通過光耦TLP114，光耦又將輸入信號反向，恢復(fù)PPM信號，同時光耦將調(diào)制信號和晶閘管的高電壓隔離，防止高電壓進(jìn)入控制電路將其擊穿發(fā)生危險。功率放大采用IRF530N芯片，最大輸出電流為17A，最大輸出電壓為100V，功率70W，指標(biāo)參數(shù)滿足對晶閘管的驅(qū)動要求。

圖9 聲卡和功放輸出

如圖9所示，波形1為聲卡輸出，波形2為功放輸出，可見經(jīng)過放大電路處理后，觸發(fā)脈沖電壓在9V左右，滿足強(qiáng)觸發(fā)的要求。

5 結(jié)語

針對水下等離子體聲源系統(tǒng)放電電壓高、電流大的特點設(shè)計了放電開關(guān)及其控制電路，可實現(xiàn)利用編碼控制放電開關(guān)，使其能產(chǎn)生攜帶編碼信息的聲脈沖。

詳細(xì)分析了晶閘管開關(guān)的指標(biāo)參數(shù)及用法。針對晶閘管的靜態(tài)和動態(tài)保護(hù)問題，設(shè)計了一種用于水下等離子體聲源的開關(guān)控制電路。搭建了由計算機(jī)軟件和硬件電路組成的PPM編碼控制開關(guān)。編碼控制開關(guān)電路可以有效地實現(xiàn)對晶閘管開關(guān)的編碼控制，使系統(tǒng)放電產(chǎn)生的聲脈沖具有攜帶編碼信息的能力。