一种氢闸流管高压悬浮触发器及其控制系统

技术领域

本发明属于脉冲功率技术领域，更具体地，涉及一种氢闸流管高压悬浮触发器及其控制系统。

背景技术

氢闸流管是一种热阴极低气压气体(氢气或氘气)放电器件，具有耐压高、通流能力强、耐过压过流冲击能力强等优势，在高压、大电流、高开关速度应用中，相比晶闸管、IGBT等开关具有明显的优势。

然而，氢闸流管的结构相对复杂，配套的触发电路也较复杂，需要提供高压触发脉冲和极板加热，同时，触发装置连接在高压回路上，高低压回路间需要实现高达几十kV的电气隔离。传统的触发电路采用高压隔离变压器进行隔离，这需要高压脉冲和加热两个回路的分别隔离，若引入温度测量，则需再增加一个回路的高压隔离，这大大增加了触发器的体积和重量，同时也使得装置的运行可靠性大大降低。氢闸流管的触发前需要进行加热，加热温度对闸流管性能有较大影响，然而为了简化结构，闸流管上一般并不提供测温接口，而是依据经验使用固定电压对闸流管加热固定时长，以此来使得闸流管温度达到最佳触发温度。但是在闸流管连续工作时，这种加热方式无法使得闸流管的温度维持在最佳触发温度，从而会影响闸流管的导通性能，同时还会因温度过高缩短闸流管的使用寿命。

发明内容

针对现有技术的缺陷和改进需求，本发明提供了一种氢闸流管高压悬浮触发器及其控制系统，其目的在于大大减少了高压隔离变压器的使用数量，简化了装置结构，提高了触发装置运行可靠性。

为实现上述目的，按照本发明的第一方面，提供了一种氢闸流管高压悬浮触发器，所述触发器包括：触发脉冲产生电路、加热电压产生电路、温度监测电路、供电电池、充电电路和绝缘组件；

所述触发脉冲产生电路，用于向氢闸流管提供高压触发脉冲；

所述加热电压产生电路，用于给氢闸流管加热丝提供加热电压；

所述温度监测电路，用于实时监测氢闸流管阴极表面的温度，将监测到的温度发送给外围控制系统，以控制加热电压产生电路的输出电压；

所述供电电池，用于给触发脉冲产生电路、加热电压产生电路和温度监测电路提供直流稳态电压；

所述充电电路，用于使用市电给供电电池充电，在触发器工作期间隔离市电和触发器；

所述绝缘组件，用于隔离触发脉冲产生电路、加热电压产生电路、温度监测电路、供电电池、充电电路与触发器外部低压端；

所述触发脉冲产生电路、加热电压产生电路、温度监测电路共地，形成共地端，所述共地端用于在触发器工作时，与氢闸流管阴极直接相连，使得触发器处于高压悬浮状态。

优选地，所述充电电路采用无线充电方式。

有益效果：本发明通过采用无线充电的方式对供电电池进行充电，基于电磁感应的原理，能量在发射线圈与接收线圈之间以磁能的方式传输，从而有效的实现了市电与触发器的高压隔离。

优选地，所述充电电路包括发射板、发射线圈、接收线圈和接收板，四者采用叠层结构进行放置，四角用螺纹柱进行支撑，发射线圈和接收线圈之间的高压用环氧板进行隔离。

有益效果：本发明通过采用近距离叠层放置的充电电路结构，由于充电电路发射线圈与发射线圈相对距离越近，能量耦合效率越高，从而实现了对锂电池的高效率充电。

优选地，所述供电电池为锂电池。

有益效果：本发明通过采用锂电池作为触发器供电电源，由于锂电池具有能量密度大、使用寿命长、充电效率高、安全环保等优点，从而实现触发器的长期安全高效工作。

优选地，所述触发脉冲产生电路包括：DCDC升压模块、IGBT、高压触发电容(C1)、脉冲变压器和继电器；

所述继电器位于供电电池与DCDC升压模块之间，用于控制高压触发电容器充电回路的通断；

所述DCDC升压模块输入端经继电器接供电电池，输出端接高压触发电容，用于对高压触发电容进行充电；

所述高压触发电容与IGBT、脉冲变压器原边连接，脉冲变压器的副边与氢闸流管连接，用于在IGBT导通时，高压触发电容对脉冲变压器放电，在变压器副边产生所需的高压触发脉冲。

有益效果：本发明通过对高压触发电容充放电来得到所需的高压触发脉冲，由于放电开关选用动作速度快、抖动时间小的半导体开关IGBT，从而实现了高压触发脉冲的高精度稳定控制。

优选地，加热电压产生电路包含：半桥电路和LC滤波电路，半桥电路的输出端与LC滤波电路的输入端相连接，LC滤波电路的输出端接到氢闸流管的加热丝，其输出加热电压由半桥电路的PWM控制信号的占空比决定。

有益效果：本发明通过PWM控制信号调节加热电压产生电路的输出电压的大小，由于半桥电路输出电压为PWM波，其幅值等于供电电池电压，频率等于控制信号频率，经LC滤波电路滤除高频分量后的直流输出电压值与PWM控制信号的占空比成正比，从而实现了加热电压产生电路输出电压值的精确控制。

优选地，温度监测电路为红外温度计。

有益效果：本发明通过使用红外温度计作为温度检测电路的传感器，由于红外温度计具有测量精度高、体积小等特点，从而实现氢闸流管温度的高精度测量。

优选地，所述触发器还包括：金属屏蔽盒，其与共地端连接，用于屏蔽触发器外部电磁干扰。

有益效果：本发明通过与共地端连接的金属屏蔽盒，基于金属屏蔽盒对空间电场与磁场的屏蔽作用，从而减少了触发器内部电路所受的外界电磁干扰，保证了触发器的稳定可靠运行。

为实现上述目的，按照本发明的第二方面，提供了一种如第一方面所述的氢闸流管高压悬浮触发器的控制系统，所述控制系统包括：

加热控制模块，用于向加热电压产生电路下发指令，使其向氢闸流管加热丝提供加热电压，以预加热氢闸流管使得氢闸流管温度维持在最佳触发温度；

触发脉冲控制模块，用于向触发脉冲产生电路下发指令，使其产生高压触发脉冲，以击穿氢闸流管中的气体，使其导通；

温度控制模块，用于接收温度监测电路发送的温度，控制加热电压产生电路的输出电压，使得氢闸流管温度维持在最佳触发温度；

所述控制系统与高压悬浮触发器之间通过光纤进行信号传输。

优选地，所述温度控制模块将监测温度与给定的氢闸流管最佳触发温度比较处理后，产生对应占空比的PWM加热信号，加热信号通过光纤传输到触发器，从而产生相应的加热电压来加热闸流管，并使闸流管温度维持在最佳触发温度。

有益效果：本发明通过温度控制模块对氢闸流管温度进行反馈控制调节，基于反馈控制可以使得被控量稳定在设定值的原理，从而使得氢闸流管稳定在适合导通的温度。

总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案，能够取得以下有益效果：

(1)本发明通过将触发器触发脉冲产生电路、加热电压产生电路、温度监测电路共地连接后与氢闸流管阴极相连接，由于触发器与氢闸流管在工作时电位相等，从而不需要对触发脉冲电路、加热电压产生电路和温度检测电路分别进行高压隔离，仅需要采用绝缘组件对地进行隔离即可，这大大减少了高压隔离变压器的使用数量，简化了装置结构，提高了触发装置运行可靠性。

(2)本发明通过控制系统发射光信号控制触发器各电路时序工作，由于控制系统与触发器之间仅采用光纤连接而不存在电气连接，从而实现了低压控制系统与高压悬浮触发器的电气隔离。

附图说明

图1为本发明提供的一种闸流管高压悬浮触发器结构示意图；

图2为本发明提供的温度反馈控制原理图；

图3为本发明提供的无线充电相关原理图；

图4为本发明提供的系统隔离结构图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。

本发明提出一种闸流管高压悬浮触发器，触发器采用电池供电，控制信号通过光纤从低压端传送至高压端。该悬浮触发器不需要对触发脉冲产生电路和加热电压产生电路分别进行隔离，仅需要实现触发装置的整体对地隔离即可，简化了装置结构，提高了触发装置运行可靠性。氢闸流管的工作温度对开关性能和寿命有较大影响，然而为了简化闸流管本身的结构，一般的闸流管并不提供温度测量接口。本发明引入一种红外温度计，贴装在闸流管表面，将温度信息数字化后通过光纤输出，可实现对闸流管工作温度的反馈控制。在触发器电池的充电方案上，本发明提出无线充电方式，确保低压电源端与触发器完全电气隔离，实现高低压端间的可靠隔离。

现有技术中，触发器的触发信号产生总是在低压端完成的，触发信号经过放大后连接至高压端的氢闸流管上，实现高压和低压端之间的可靠电气隔离是触发器的基本功能。触发器隔离的一般采用隔离变压器实现，因需要在加热回路和触发脉冲回路分别进行隔离，至少需要两台隔离变压器，这导致触发器体积和重量都很大，不利于提高系统集成度。

本发明提出的高压悬浮触发器，将整个触发器悬浮在与闸流管同电位的高压端，则触发器与闸流管之间无需实现高压隔离，只需要进行触发器与低压端的整体隔离即可，这很容易通过触发器的外封装实现。该触发器省去了笨重的高压隔离变压器，有效地降低了体积和重量，同时减少了连接线路的数量，简化了系统结构，使系统可靠性得以提高。该触发器的供电采用电池实现，触发信号采用光纤进行传输，实现了触发器与低压控制端的完全隔离，可有效避免传统触发器中隔离变压器可能击穿导致的低压控制端损坏的问题。

图1展示了触发器的电路结构。电路主要由锂电池、加热电压产生电路、触发脉冲产生电路所组成，整个触发器工作在悬浮高压状态，控制信号均通过光纤传输。其中，锂电池为整个触发器的电源，加热电路包含半桥电路和LC滤波电路，其输出加热电压由半桥电路的PWM驱动信号的占空比决定，而PWM驱动信号则由温度反馈系统来进行控制。而触发脉冲的产生过程描述如下：先通过一个可调的DCDC升压模块将高压触发电容充电到合适的电压值，然后通过触发信号控制IGBT导通，电容器对脉冲变压器放电，在变压器副边产生所需的高压触发脉冲。

闸流管上一般并不提供温度测量接口，本发明提出一种红外测温方案，红外温度计贴装于闸流管表面，信号通过数字调制后转换为光脉冲，实际使用中很容易通过光纤将温度信号反馈至低压控制端，以实现温度的反馈控制。

温度反馈控制原理图如图2所示。闸流管实时温度通过贴在其表面的红外温度计进行测量并反馈到控制系统，与给定的闸流管最佳触发温度比较处理后产生合适占空比的PWM加热信号，加热信号通过光纤传输到触发器，从而产生相应的加热电压来加热闸流管。

高压悬浮触发器采用电池供电，电池的充电成为高低压之间的一个接口，如何实现高压隔离前提下的高效充电，是一个重要问题。若采用有线方式充电，并在闸流管工作期间断开充电接口，可实现有效隔离，但这无法实现在线充电，同时，若因某种原因导致未断开充电接口情况下放电，充电回路极易高压损坏。

锂电池作为触发器电源，其能量由市电经无线充电模块提供，无线充电模块由发射板、发射线圈、接收线圈、接收板所组成，四者采用叠层结构进行放置、四角用螺纹柱进行支撑，发射线圈和接收线圈之间的高压用一块大的环氧板进行隔离。

为了实现可靠隔离，本发明提出无线充电方式，该方式中的无线发射线圈和接受线圈之间无电气接触，能有效实现高低压侧的电气隔离，避免了故障损坏低压端的可能性；同时，该方式可实现电池的在线充电，可实现电量不足时的便捷充电，并不需要拆卸或连接电缆。

无线充电原理如图3所示。市电经发射板整流变频后在发射线圈中产生交变电流，利用电磁感应的原理能量由发射线圈转移到接收线圈，后经过接收板整流后给锂电池充电。

触发器系统隔离结构如图4所示。整个触发器3被放置在一个金属屏蔽盒2内，由于其工作在悬浮高压状态，为与外界进行高压隔离，触发器连同金属屏蔽盒被固定在亚克力板材质的绝缘盒1中，触发器上的输入控制信号均通过光纤线引入，输出端则用高压电缆引出至闸流管。

本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。