電力電子技術(shù)-第3章門(mén)極觸發(fā)電路

1、1第3章 門(mén)極觸發(fā)電路2 3.1.1 門(mén)極觸發(fā)信號(hào)的種類(lèi) 1）直流信號(hào) 損耗增加 2）交流信號(hào) 溫度變化和交流電壓幅值變化 時(shí)，延遲角不穩(wěn)定 3）脈沖信號(hào) 便于控制脈沖的出現(xiàn)時(shí)刻 ，降低門(mén)極損耗。實(shí)現(xiàn)信號(hào)的同步傳輸。3.1 門(mén)極電路的驅(qū)動(dòng)控制引言33.1.2 晶閘管對(duì)觸發(fā)電路的要求 1. 觸發(fā)脈沖的電壓和電流應(yīng)大于晶閘管要求的數(shù)值，并留有一定的裕量。2. 觸發(fā)脈沖應(yīng)滿(mǎn)足要求的移相范圍240-300。3觸發(fā)脈沖與晶閘管主電路電源必須同步。4觸發(fā)脈沖的應(yīng)有足夠的寬度，脈沖前沿陡度應(yīng)大于1A/us。5為滿(mǎn)足三相全控橋的要求，觸發(fā)電路應(yīng)能輸出雙窄脈沖或?qū)捗}沖。 6為滿(mǎn)足反并聯(lián)可逆電路的要求，觸發(fā)電路應(yīng)

2、有min、min 限制。 4 相控電路：相控電路：晶閘管可控整流電路，通過(guò)控制觸發(fā)角晶閘管可控整流電路，通過(guò)控制觸發(fā)角a a的大小即控制觸發(fā)的大小即控制觸發(fā)脈沖起始相位來(lái)控制輸出電壓大小。脈沖起始相位來(lái)控制輸出電壓大小。采用晶閘管相控方式時(shí)的交流電力變換電路和交交變頻電路采用晶閘管相控方式時(shí)的交流電力變換電路和交交變頻電路（第（第4章）。章）。 相控電路的驅(qū)動(dòng)控制相控電路的驅(qū)動(dòng)控制 為保證相控電路正常工作，很重要的是應(yīng)保證按觸發(fā)角a a的大小在正確的時(shí)刻向電路中的晶閘管施加有效的觸發(fā)脈沖。 晶閘管相控電路，習(xí)慣稱(chēng)為觸發(fā)電路。 大、中功率的變流器廣泛應(yīng)用的是晶體管觸發(fā)電路，其中以同步信號(hào)為鋸齒波

3、的觸發(fā)電路應(yīng)用最多。53.2同步信號(hào)為鋸齒波的觸發(fā)電路輸出可為雙窄脈沖（適用于有兩個(gè)晶閘管同時(shí)導(dǎo)通的電路），也可為單窄脈沖。三個(gè)基本環(huán)節(jié)：脈沖的形成與放大、鋸齒波的形成和脈沖移相、同步環(huán)節(jié)。此外，還有強(qiáng)觸發(fā)和雙窄脈沖形成環(huán)節(jié)。6圖3-1 同步信號(hào)為鋸齒波的觸發(fā)電路73.2 同步信號(hào)為鋸齒波的觸發(fā)電路1) 脈沖形成環(huán)節(jié)脈沖形成環(huán)節(jié) V4、V5 脈沖形成 V7、V8 脈沖放大 控制電壓uco加在V4基極上圖3-2 同步信號(hào)為鋸齒波的觸發(fā)電路 脈沖前沿由V4導(dǎo)通時(shí)刻確定，脈沖寬度與反向充電回路時(shí)間常數(shù)R11C3有關(guān)。 電路的觸發(fā)脈沖由脈沖變壓器TP二次側(cè)輸出，其一次繞組接在V8集電極電路中。8 當(dāng)V

4、4的基極電壓uco=0時(shí)，V4截止。+E1電源通過(guò)R11提供給V5一個(gè)足夠大的基極電流，使V5飽和導(dǎo)通。所以V5集電極電壓接近于-E1，V7、V8處于截止?fàn)顟B(tài)，無(wú)脈沖輸出。電源+E1經(jīng)R9、V5的發(fā)射極到-E1對(duì)電容C3充電，充滿(mǎn)后電容兩端電壓接近2E1，極性如圖所示。 當(dāng)uco0.7V時(shí)，V4導(dǎo)通。A點(diǎn)電位從+E1突降到1V，由于電容C3兩端電壓不能突變，所以V5基極電位也突降到-2E1，V5基射極反偏置，V5立即截止。它的集電極電壓由-E1迅速上升到鉗位電壓2.1V時(shí)，使得V7、V8導(dǎo)通，輸出觸發(fā)脈沖。 同時(shí)電容C3由+E1經(jīng)R11、VD4、V4放電并反向充電，使V5基極電位逐漸上升。直到

5、V5基極電位ub5 -E1，V5又重新導(dǎo)通。這時(shí)V5集電極電壓又立即降到-E1，使V7、V8截止，輸出脈沖終止?？梢?jiàn)，脈沖前沿由V4導(dǎo)通時(shí)刻確定，脈沖寬度由反向充電時(shí)間常數(shù)R11C3決定。 92) 鋸齒波的形成和脈沖移相環(huán)節(jié)鋸齒波的形成和脈沖移相環(huán)節(jié)鋸齒波電壓形成的方案較多，如采用自舉式電路、恒流源電路等；本電路采用恒流源電路。恒流源電路方案恒流源電路方案，由V1、V2、V3和C2等元件組成 V1、VS、RP2和R3為一恒流源電路圖3-2 同步信號(hào)為鋸齒波的觸發(fā)電路10 當(dāng)V2截止時(shí)，恒流源電流I1C對(duì)電容C2充電，所以C2兩端的電壓uC為 uC按線(xiàn)性增長(zhǎng),即ub3按線(xiàn)性增長(zhǎng)。調(diào)節(jié)電位器RP2

6、，可以改變C2的恒定充電電流I1C。 當(dāng)V2導(dǎo)通時(shí)，因R4很小所以C2迅速放電，使得ub3電位迅速降到零伏附近。當(dāng)V2周期性地導(dǎo)通和關(guān)斷時(shí)，ub3便形成一鋸齒波。射極跟隨器V3的作用是減小控制回路電流對(duì)鋸齒波電壓ub3的影響。 V4基極電位由鋸齒波電壓、控制電壓uco、直流偏移電壓up三者疊加所定,它們分別通過(guò)電阻R6、R7、R8 與V4基極連接。 tICdtIuC1C1c111 根據(jù)疊加原理，先設(shè)uh為鋸齒波電壓ue3單獨(dú)作用在基極時(shí)的電壓，其值為 所以u(píng)h仍為鋸齒波，但斜率比ue3低。 同理，直流偏移電壓up單獨(dú)作用在V4基極時(shí)的電壓 為 控制電壓uco單獨(dú)作用在V4基極時(shí)的電壓 為： 所

7、以， 仍為一條與up平行的直線(xiàn)，但絕對(duì)值比up??； 仍為一條與uco平行的直線(xiàn)，但絕對(duì)值比uco小。 )/(/87687e3hRRRRRuu)/(/76876ppRRRRRuu)/(/86786c0c0RRRRRuupuc0upuc0u12 當(dāng)V4不導(dǎo)通時(shí)，V4的基極b4的波形由 確定。當(dāng)b4點(diǎn)電壓等于0.7V后，V4導(dǎo)通。產(chǎn)生觸發(fā)脈沖。改變uco便可以改變脈沖產(chǎn)生時(shí)刻，脈沖被移相。加up的目的是為了確定控制電壓uco=0時(shí)脈沖的初始相位。 以三相全控橋?yàn)槔?dāng)接反電勢(shì)電感負(fù)載時(shí)，脈沖初始相位應(yīng)定在=90；當(dāng)uco=0時(shí)，調(diào)節(jié)up的大小使產(chǎn)生脈沖的M點(diǎn)對(duì)應(yīng)=90的位置。當(dāng)uco為0，=90，則

8、輸出電壓為0；如uco為正值，M點(diǎn)就向前移，控制角90，處于逆變狀態(tài)。 cophuuu133) 同步環(huán)節(jié)同步環(huán)節(jié)同步同步要求觸發(fā)脈沖的頻率與主電路電源的頻率相同且相位關(guān)系確定。鋸齒波是由開(kāi)關(guān)V2管來(lái)控制的。 V2開(kāi)關(guān)的頻率就是鋸齒波的頻率鋸齒波的頻率由同步變壓器所接的交流電壓決定。 V2由導(dǎo)通變截止期間產(chǎn)生鋸齒波鋸齒波起點(diǎn)鋸齒波起點(diǎn)基本就是同步電壓由正變負(fù)的過(guò)零點(diǎn)。 V2截止?fàn)顟B(tài)持續(xù)的時(shí)間就是鋸齒波的寬度鋸齒波的寬度取決于充電時(shí)間常數(shù)R1C1。14 同步環(huán)節(jié)是由同步變壓器TS、VD1、VD2、C1、R1和晶體管V2組成。同步變壓器和整流變壓器接在同一電源上，用同步變壓器的二次電壓來(lái)控制V2的通

9、斷作用，這就保證了觸發(fā)脈沖與主電路電源同步。 15與主電路同步是指要求鋸齒波的頻率與主電路電源的頻率相同且與主電路同步是指要求鋸齒波的頻率與主電路電源的頻率相同且相位關(guān)系確定。鋸齒波是由開(kāi)關(guān)管相位關(guān)系確定。鋸齒波是由開(kāi)關(guān)管V V2 2控制的，也就是由控制的，也就是由V V2 2的基極的基極電位決定的。電位決定的。同步電壓同步電壓u uTSTS經(jīng)二極管經(jīng)二極管VDVD1 1加在加在V V2 2的基極上。當(dāng)電壓波形在負(fù)半的基極上。當(dāng)電壓波形在負(fù)半周的下降段時(shí)，因周的下降段時(shí)，因QQ點(diǎn)為零電位，點(diǎn)為零電位，R R點(diǎn)為負(fù)電位，點(diǎn)為負(fù)電位，VDVD1 1導(dǎo)通，電容導(dǎo)通，電容C C1 1被迅速充電。被迅速

10、充電。QQ點(diǎn)電位與點(diǎn)電位與R R點(diǎn)相近，故在這一階段點(diǎn)相近，故在這一階段V V2 2基極為反基極為反向偏置，向偏置，V V2 2截止。截止。在負(fù)半周的上升段，在負(fù)半周的上升段，+E+E1 1電源通過(guò)電源通過(guò)R R1 1給電容給電容C C1 1充電，其上升速度充電，其上升速度比比u uTSTS波形慢，故波形慢，故VDVD1 1截止，截止，u uQ Q為電容反向充電波形。當(dāng)為電容反向充電波形。當(dāng)Q Q點(diǎn)電位點(diǎn)電位達(dá)達(dá)1.4V1.4V時(shí)，時(shí)，V V2 2導(dǎo)通，導(dǎo)通，QQ點(diǎn)電位被鉗位在點(diǎn)電位被鉗位在1.4V1.4V。直到。直到TSTS二次電壓二次電壓的下一個(gè)負(fù)半周到來(lái)，的下一個(gè)負(fù)半周到來(lái)，VDVD1

11、1重新導(dǎo)通，重新導(dǎo)通，C C1 1放電后又被充電，放電后又被充電，V V2 2截截止。止。如此循環(huán)往復(fù)，在一個(gè)正弦波周期內(nèi)，包括截止與導(dǎo)通兩個(gè)狀態(tài)，如此循環(huán)往復(fù)，在一個(gè)正弦波周期內(nèi)，包括截止與導(dǎo)通兩個(gè)狀態(tài)，對(duì)應(yīng)鋸齒波波形恰好是一個(gè)周期，與主電路電源頻率和相位完全對(duì)應(yīng)鋸齒波波形恰好是一個(gè)周期，與主電路電源頻率和相位完全同步，達(dá)到同步的目的?？梢钥闯鲣忼X波的寬度是由充電時(shí)間常同步，達(dá)到同步的目的。可以看出鋸齒波的寬度是由充電時(shí)間常數(shù)數(shù)R R1 1C C1 1決定的。決定的。 16同步信號(hào)為鋸齒波的觸發(fā)電路的工作波形 173.2同步信號(hào)為鋸齒波的觸發(fā)電路4) 雙窄脈沖形成環(huán)雙窄脈沖形成環(huán)節(jié)節(jié) 內(nèi)雙脈

12、沖電路 V5、V6構(gòu)成“或”門(mén) 當(dāng)V5、V6都導(dǎo)通時(shí)，V7、V8都截止，沒(méi)有脈沖輸出。 只要V5、V6有一個(gè)截止，都會(huì)使V7、V8導(dǎo)通，有脈沖輸出。 第一個(gè)脈沖由本相觸發(fā)單元的uco對(duì)應(yīng)的控制角a a 產(chǎn)生。 隔60 的第二個(gè)脈沖是由滯后60 相位的后一相觸發(fā)單元產(chǎn)生（通過(guò)通過(guò)V6）。三相橋式全控整流電路的情況(自學(xué))18 觸發(fā)電路自身在一個(gè)周期內(nèi)可輸出兩個(gè)間隔60的脈沖，稱(chēng)內(nèi)雙脈沖電路。而在觸發(fā)器外部通過(guò)脈沖變壓器的連接得到雙脈沖稱(chēng)為外雙脈沖。 本觸發(fā)電路屬于內(nèi)雙脈沖電路。當(dāng)V5、V6都導(dǎo)通時(shí)，V7、V8截止，沒(méi)有脈沖輸出。只要V5、V6有一個(gè)截止，就會(huì)使V7、V8導(dǎo)通，有脈沖輸出。因此本電

13、路可以產(chǎn)生符合要求的雙脈沖。 第一個(gè)脈沖由本相觸發(fā)單元的uco對(duì)應(yīng)的控制角使V4由截止變導(dǎo)通造成V5瞬時(shí)截止，使得V8輸出脈沖。隔60的第二個(gè)脈沖是由后一相觸發(fā)單元通過(guò)連接到引腳Y使本單元V6截止，使本觸發(fā)電路第二次輸出觸發(fā)脈沖。其中VD4和R17的作用主要是防止雙脈沖信號(hào)相互干擾。 195 強(qiáng)觸發(fā)環(huán)節(jié)強(qiáng)觸發(fā)環(huán)節(jié) 36V交流電壓經(jīng)整流、濾波后得到50V直流電壓，經(jīng)R15對(duì)C6充電，B點(diǎn)電位為50V。當(dāng)V8導(dǎo)通時(shí)，C6經(jīng)脈沖變壓器一次側(cè)R16、V8迅速放電，形成脈沖尖峰，由于有R15的電阻，且電容C6的存儲(chǔ)能量有限，B點(diǎn)電位迅速下降。當(dāng)B點(diǎn)電位下降到14.3V時(shí)，VD15導(dǎo)通，B點(diǎn)電位被15V電

14、源鉗位在14.3V，形成脈沖平臺(tái)。206 脈沖封鎖脈沖封鎖 二極管 VD5陰極接零電位或負(fù)電位，使V7、V8截止，可以實(shí)現(xiàn)脈沖封鎖。VD5用來(lái)防止接地端與負(fù)電源之間形成大電流通路。 213.3 集成觸發(fā)器v 可靠性高，技術(shù)性能好，體積小，功耗低，調(diào)試方便。v 晶閘管觸發(fā)電路的集成化已逐漸普及，已逐步取代分立式電路。KJ004 與分立元件的鋸齒波移相觸發(fā)電路相似,分為同步、鋸齒波形成、移相、脈沖形成、脈沖分選及脈沖放大幾個(gè)環(huán)節(jié)。22圖3-4 KJ004電路原理圖1112161151413943578R23+15V+15V+15VRP1R24R2R20RP4R5R1R3R4R6R7R8R12R10

15、R11R14R19R13R25R26R27R28R20R22R16R17R21R18R15V3V2V1V18V19V20V4V5V6V12V13V14V15V16V9V10V11V8V7V17VS5VS1VS2VS3VS4VS6VS7VS8VS9VD1VD2VD3VD4VD5VD6VD7C1C2ubucous23 完整的三相全控橋觸發(fā)電路完整的三相全控橋觸發(fā)電路 3個(gè)KJ004集成塊和1個(gè)KJ041集成塊，可形成六路雙脈沖，再由六個(gè)晶體管進(jìn)行脈沖放大即可。 usa1234567111091413128161512345671110914131281615KJ004KJ004-15 V+15 V

16、12345671110914131281615KJ004RP6RP3(1 6 腳為 6路單脈沖輸入)12345671110914131281615KJ 041(1510 腳為 6路雙脈沖輸出)至 VT1usbuscupucoR19R13R20R14R21R15R9R3R6R18R8R2R5R17R7R1R4R16R10R11R12C7C4C1C8C5C2C9C6C3RP4RP1RP5RP2至 VT2至 VT3至 VT4至 VT5至 VT6圖3-5 三相全控橋整流電路的集成觸發(fā)電路 24 模擬與數(shù)字觸發(fā)電路以上觸發(fā)電路為模擬模擬的，優(yōu)點(diǎn)：結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、可靠； 缺點(diǎn)：易受電網(wǎng)電壓影響，觸發(fā)脈沖不對(duì)稱(chēng)度

17、較高， 可達(dá)34，精度低。數(shù)字?jǐn)?shù)字觸發(fā)電路：脈沖對(duì)稱(chēng)度很好，如基于8位單片機(jī)的數(shù)字觸發(fā)器精度可達(dá)0.7 1.5 。 KJ041內(nèi)部是由12個(gè)二極管構(gòu)成的6個(gè)或門(mén)。 也有廠家生產(chǎn)了將圖3-5全部電路集成的集成塊，但目前應(yīng)用還不多。253.4 觸發(fā)電路的定相 觸發(fā)電路的定相觸發(fā)電路應(yīng)保證每個(gè)晶閘管觸發(fā)脈沖與施加于晶閘管的交流電壓保持固定、正確的相位關(guān)系。 措施：措施：同步變壓器原邊接入為主電路供電的電網(wǎng)，保證頻率一致。觸發(fā)電路定相的關(guān)鍵是確定同步信號(hào)與晶閘管陽(yáng)極電壓的關(guān)系。圖3-6 三相全控橋中同步電壓與主電路電壓關(guān)系示意圖Ott1t2uaubucu2ua-26 變壓器接法：主電路整流變壓器為D,y-11聯(lián)結(jié)，同步變壓器為D,y-11,5聯(lián)結(jié)。D,y 11D,y 5-11TRTSuAuBuCuaubuc- usa- usb- usc- usa- usb- uscUcUsc-UsaUbUsb-Usc-UsbUaUsaUAB 圖3-7 同步變壓器和整流變壓器的接法及矢量圖