【学习笔记】30 kV三电极开关的光纤触发回路设计
0、引言
开关的触发是脉冲功率领域的关键问题，甚至是脉冲功率系统成败的关键。传统的触发电路采用直接的电触发方式，即触发控制电路-脉冲变压器系统，此触发系统与开关有直接的电气连接，缺点不可忽视，如开关导通时产生的高压，可能损坏触发电路甚至危及操作人员安全，而且电磁干扰很大。随着光纤技术的发展，用光纤传递信号越来越方便，光纤技术也应用到了触发电路中。光纤通信是以光波为载波，以光导纤维为传输媒介的一种通信方式，其具有一系列优点。正因为如此，近年来,用光做媒介的触发方式越来越受到重视。
1、传统触发方式
变压器由于原副边通过磁耦合，并无电气上的直接连接，故为一种典型的隔离器件。通常用脉冲变压器输出触发脉冲，并实现触发电路与主电路之间的隔离。该方式电路简单、成本低；其缺点也很明显，如可能不能有效隔离高电位且电磁干扰大。
2、光纤触发
总体来讲，是由低压侧的触发脉冲信号首先经过电-光转换装置转换为光脉冲信号；光脉冲信号通过低功耗光纤传输到光-电脉冲变换器；光-电脉冲变换器输出的脉冲再经过功率放大最后施加到晶闸管单元的门极上，使晶闸管单元触发导通。整个触发信号传输过程实际上是一个电-光再到光-电信号转换的过程。
这是一个折中的办法，成本低，性能稳定。其突出优点有：优异的绝缘性能可以隔离高压，只要选择合适的光纤种类和光纤长度，隔离电压等级几乎不受限制，保证了操作人员与触发电路板的安全；抗电磁干扰，可实现信号的远距离传输且几乎无衰减。此外还有传输频带宽，传输容量大，线径细，重量轻等优点。
3、光纤触发信号发生原理
3.1主电路
主回路（第一部分，如图1）中，市电经桥式整流器输出约300V直流电压给电容C2充电，充电回路为整流桥-电容C2-二极管D6。4.7kΩ电阻R1、R2为保护限流用，电容C1-电阻R3支路为缓冲级，以抑制器件的内因过电压和du/dt或者过电流和di/dt，改善开通和关断时刻所承受的电压尖峰、电流波形。
当可控硅G极得到一个触发电流时，可控硅导通，主电容C2-可控硅U1-脉冲变压器原边形成放电回路。脉冲变压器副边则感应出高压脉冲输出。此时二极管由于反偏处于关断状态。
门极电流太小，晶闸管将无法导通；门极电流过大将误导通，故门极可以串入R4电阻限流，实际R4取为300Ω左右。一般要求电容储能4J以上，输出电压20kV以上，输出脉冲陡度在5kV/ns以上。如果对输出电压、触发能量要求较高，还可以采用双倍压电路或三倍压电路，且每级采用多个电容并联以扩大电容量。
3.2可控硅触发回路
3.2.1初始电信号
小信号回路（第二部分，如图2所示）中，采用电压比较器LM311。摁下开关之前，2脚输入，为两个2kΩ电阻分压的中值——2.5V电压，输出为低电平（0.16V），3脚输入为5V；摁下开关，2脚输入不变，3脚输入变为零，经电压比较后输出高电平（4V）。同主电路中一样的，在S9014输入端也有配有阻容吸收电路。
开关SW处还可并接时间继电器，以达到定时、触发、计数等功能。
3.2.2光纤模块
光纤模块主要包括光发送器、光纤传输线和光接收器三大部分。光纤典型应用电路如图3所示，光发送器HFBR-1414和光接收器HFBR-2412配合使用，其性能指标为：通信速率最大值为5MBd；工作温度-40℃～+85℃；发送器电流越大可传输距离越远，最大传输距离2km，采用62.5/125μm芯光纤。
无论是发送端还是接收端，都需要一个5V直流电源（Vcc）供电，可采用单独的电源模块，如JCA10-5，将市电转换为直流5V。
(1)光发送器
由于光纤接口插入存在损耗，光信号在光纤传输中也存在损耗，实际每路接收率小于10%。因此，在光发送端需要加大发送电流，才能保证HFBR-2412的可靠接收。图2所示的光纤发送电路，采用三极管（S9014）放大。电阻R13起限流作用，防止进入光纤接收头的电流太大而损坏光纤头。R13=（Vcc-Vf）/If，可取200Ω。其中Vcc为电源电压，Vf为发射正向电压，约为1.62V，If为输入光纤头2脚的电流。
(2)光接收器
电压比较器LM311输出的信号给光纤发射头(1414)产生光信号，再经光纤传给光纤接收头(2412)，并转换为电信号。
为保障HFBR-2412可靠接收信号，需要适当增大发送电流，实际取值R13为200Ω，发送电流：I=(Vcc-Vsat-Vce)/R13=(5-1.5-0.04)V/200Ω≈17.3mA。
3.2.3末端电信号
R6、R7为分压电阻，使运放OP07的3脚输入2.5V。2脚信号输入后，通过运放OP07电压比较和放大，输出约5.2V电压，并由电容C4产生触发电流使可控硅导通，从而完成主电路放电。旁路电容C4(0.01μF至0.1μF)须在2脚与7脚之间连接，电容与2、7引脚的距离总长度不超过20mm。
HFBR-2412输出逻辑低电平电压为0.7V，输出脉冲上升时间约为460ns，上升时间较长。在HFBR-2412接收电路后加一级整形电路，缩短脉冲上升时间，优化脉冲波形。
4、输出脉冲陡化
陡化器，即尖-尖（或球-球）间隙，可以使输出脉冲上升速率更快。其原理是在脉冲输出起初先通过球间隙阻挡不使放电，待电压上升至间隙击穿值时导通，从而使总的等效脉冲上升时间减小，则触发极输入的脉冲陡度提升。
5、隔离优化
电容能隔离电容器上的直流高压，防止触发导通瞬间电容上的高压对触发回路的损害。电阻主要起限流作用，参数选用为电容100kV/500pF，电阻60Ω(3个20Ω串联，满足沿面距离要求)，空气间隙采用尖-尖间隙，间隙长度约10mm。
在开关触发极之前加一个电容-电阻-空气间隙组合，能较好地实现陡化与隔离，从而多级隔离，既安全又有更好的触发性能。
图4为实际测量的输出脉冲。由图中可以看出，输出脉冲的上升沿为100ns，陡度为0.3kV/ns。
6、结论
经过十余万发次实验证明，上述电路可以很好地完成触发任务，并实现控制电路与开关之间的电气隔离，安全、可靠、稳定、成本低。因此这种光纤触发方式的应用会更加广泛。