晶闸管触发电路设计

实现功能根据设计任务及要求完成晶闸管触发电路的设计。设计任务及要求（1）根据给出的技术参数指标，完成晶闸管触发电路设计，晶闸管选用KP50。（2）要求触发电压不小于3.5V，触发电流不小于100mA。（3）触发信号不许超过规定的门极最大允许峰值电压与峰值电流。（4）触发脉冲要有一定的宽度，前沿要陡。电阻性负载时脉冲宽度应大于10us，电感性负载时则因大于100us。（5）触发脉冲的移相范围应能满足主电路的要求。（6）触发脉冲必须与主回路电源电压保持同步（7）撰写、打印课程设计说明书，字数在4000字以上（论文）。具体参数见上面的任务要求。（1）布置任务，查阅资料，确定系统的方案（2天）（2）对系统各组成部件进行功能分析（2天）（3）系统电气电路设计（3天）（4）撰写、打印设计说明书（2天）（5）答辩（1天）摘要为了控制晶闸管的导通，必须在控制级至阴极之间加上适当的触发信号（电压及电流），完成此任务的就是触发电路。本课题针对晶闸管的触发电路进行设计，其电路的主要组成部分由触发电路，交流电路，同步电路等电路环节组成。有阻容移相桥触发电路、正弦波同步触发电路、单结晶体触发电路、集成UAA4002、KJ004触发电路。包括电路的工作原理和电路工作过程以及针对相关参数的计算。关键词：晶闸管；触发电路；脉冲；KJ004目录TOC\o"1-3"\f\h\z第1章绪论 1第2章课程设计的方案 22.1概述 22.2系统组成整体结构 22.3设计方案 3第3章电路设计 53.1UAA4002集成芯片构成的触发器 53.2阻容移相桥触发电路 63.3正弦波同步触发电路 83.4单结晶体管触发电路 103.5集成KJ004触发电路 11第4章课程设计总结 14参考文献 16绪论晶闸管是晶体闸流管的简称，又称为可控硅整流器，以前被简称为可控硅。在电力二极管开始得到应用后不久，1956年美国贝尔实验室发明了晶闸管，到1957年美国通用电气公司开发出世界上第一只晶闸管产品，并在1958年达到商业化。由于其开通时刻可以控制，而且各方面性能均明显胜过以前的汞弧整流器，因而立即受到普遍欢迎，从此开辟了电力电子技术迅速发展和广泛应用的崭新时代，其标志就是以晶闸管为代表的电力半导体器件的广泛应用，有人称之为继晶体管发明和应用之后的又一次电子技术革命。自20世纪80年代以来，晶闸管的地位开始被各种性能更好的全控型器件取代，但是由于其所能承受的电压和电流容量仍然是目前电力电子器件中最高的，而且工作可靠，因此在大容量的应用场合仍然具有比较重要的地位。20世纪80年代以来，信息电子技术与电力电子技术在各自发展的基础上相结合而产生了一代高频化、全控型、采用集成电路制造工艺的电力电子器件，从而将电力电子技术又带入一个崭新时代。门极可关断晶闸管、电力晶体管、电力场效应晶体管和绝缘栅双极晶体管就是全控型电力电子器件的典型代表。晶闸管的种类较多，有单向晶闸管、双向晶闸管、光控晶闸管、直流开关晶闸管（即门级可关断晶闸管）、寄生晶闸管（即功率场效应管IGBT）、无控制极晶闸管等。晶闸管在电力电子技术上有很广泛的应用，整流电路（交流变直流）、逆变电路（直流变交流）、交频电路（交流变交流）、斩波电路（直流变直流），此外，还可用作无触点开关。又晶闸管是半控型器件，因此在控制极和阴极间的触发信号是必不可少的。而触发电路的作用是产生符合要求的门级触发脉冲，保证在需要是晶闸管立即由阻断状态变为导通状态。广义上讲，触发电路包括对其触发时刻进行控制的相位控制环节、放大和输出环节。而触发电路的形成又有许多种形式。本课程设计研究的是基于螺旋式晶闸管KP50的触发电路。

课程设计的方案概述要使晶闸管开始导通，必须施加触发脉冲，在晶闸管触发电路中必须有触发电路，触发电路性能的好坏直接影响晶闸管电路工作的可靠性，也影响系统的控制精度，正确设计触发电路是晶闸管电路应用的重要环节。本设计要求采用KP50晶闸管，经查阅相关资料，KP50为螺旋式晶闸管，其通态电流为50A，通态峰值电压≤1.9V，正反向重复峰值电压为100-2000V，正反向重复峰值电流≤5mA，触发电压≤2V。门极触发电压小于25V，门极触发电流小于150mA，维持电流小于200mA。根据给出的技术参数指标，要求触发电压不小于3.5V，触发电流不小于100mA。触发信号不许超过规定的门极最大允许峰值电压与峰值电流。触发脉冲要有一定的宽度，前沿要陡。电阻性负载时脉冲宽度应大于10μs，电感性负载时则应大于100μs。触发脉冲必须与主回路电源电压保持同步，即采同步电路从而保持输出电压的平稳。系统组成整体结构图2.1系统整体结构图整个设计主要分为电源、交流电路、同步电路、触发电路。当接通电源时，系统工作，给晶闸管电路一个触发信号，晶闸管电路导通，当触发信号变为反向时，晶闸管迅速关断，电路停止工作。如图2.1所示。2.3设计方案方案一：采用UAA4002集成芯片UAA4002是法国汤姆逊公司生产的大规模集成电路，在国内市场上已能够购到。较其他集成芯片，使用它可以实现对开关功率晶体管的最优基极驱动，同时实现对开关功率晶体管的就地非集中保护，保证其运行在参数最优的条件下。这大大加快了高性能晶体管开关产品的开发。是当前一种较好的基极驱动和保护方法。方案二：阻容移相桥触发电路由电位器R、电容C和带中心抽头的同步变压器T组成的桥式电路就是最简单的一种触发电路，它本身就包含同步电压形成、移相、脉冲形成与输出三个部分。同步变压器初级电压相位与晶闸管主电路电压相位相同。无需外接同步电路。是一个极易调整，精度不高的晶闸管触发装置。方案三：正弦波同步触发电路触发电路由移相控制环节和输出脉冲形成环节两大部分组成，分别有不同的功能。移相控制环节自身含有电感，可以防止高频干扰。该电路理论上移相范围为0度到180度，实际应用多在0度到150度左右。由于有正反馈，抗干扰能力差。但正反馈电流能提高输出脉冲的陡度和加大脉冲宽度。同时交流电源电压的波动，会影响到移相角的变化。方案四：单结晶体管触发电路由单结晶体管等组成的触发电路，又称单结晶体管驰张振荡器。单结晶体管触发电路简单易调，脉冲前沿陡峭，抗干扰能力强，可靠性高。但由于脉冲较窄，触发功率小，移相范围也较小，所以多用于50A及以下晶闸管的中、小功率系统中。方案五：集成触发电路集成触发电路KJ004，KJ004可控硅移相触发电路适用于单相、三相全控桥式供电装置中，作可控硅的双路脉冲移相触发。KJ004器件输出两路相差180度的移相脉冲，可以方便地构成全控桥式触发器线路。KJ004电路具有输出负载能力大、移相性能好、正负半周脉冲相位均衡性好、移相范围宽的特点。对同步电压要求低，有脉冲列调制输出端等功能与特点。电路由同步检测电路、锯齿波形成电路、偏形电压、移相电压及锯齿波电压综合比较放大电路和功率放大电路四部分组成。电路设计UAA4002集成芯片构成的触发器其内部结构图如图3.1所示。图3.1UAA4002内部结构UAA4002的特点：标准的16脚双排直插式结构。UAA4002将接收到的以逻辑信号输入导通信号转变为加到晶闸管上的门极电流，这一门级电流可以自动调节，保证晶闸管总处于导通状态。UAA4002输出的最大电流为0.5A，可以外接晶闸管扩大。UAA4002可以给晶闸管加-3A的反向门极电流，保证晶闸管快速关断。这个负的门极电流亦可通过外接晶闸管扩大。4.UAA4002内装高速逻辑处理器保护晶闸管，监控导通期间晶闸管门极电流，亦监控集成电路的正负电源电压和芯片温度，对被驱动的晶闸管实现就地保护（非集中保护）。5.与通常的驱动模块不一样，其输入端可接收电信号和交变脉冲信号,如果需要对输入端隔离,可外加光电藕合器或微分变压器。根据给出的技术参数指标，完成晶闸管触发电路设计，晶闸管选用KP50。要求触发电压不小于3.5V，触发电流不小于100mA。触发信号不许超过规定的门极最大允许峰值电压与峰值电流。触发脉冲要有一定的宽度，前沿要陡。电阻性负载时脉冲宽度应大于10us，电感性负载时则因大于100us。触发脉冲的移相范围应能满足主电路的要求。触发脉冲必须与主回路电源电压保持同步。 由于电路的结构部分，由检测电路可以保证触发脉冲必须与主回路电源电压保持同步,并且由芯片资料可得，芯片触发脉冲的电压幅值为15V，满足触发电压不小于3.5V的要求，而且，芯片的正向导通电流可以达到0.5A，同时也满足触发电流不小100mA，由于芯片内部存在自身的保护电路，触发信号不会超过规定的门极最大允许峰值电压与峰值电流。其中关于触发脉冲要有一定的宽度,由芯片资料，我们可知，触发脉冲的宽度由芯片6引脚、8引脚和芯片10引脚共同决定，其中6引脚接入电阻，8引脚接入电阻、10引脚接入电容，其参数与脉冲宽度的关系为：T=（3-1）R=（3-2）（3-3）C=（3-4）由于题目要求，触发脉冲的移相范围应可调节，并且范围尽可能大，可以满足0-170度之间任意调节，由芯片资料可知，芯片的15引脚控制移相范围。且移相范围在0-180度以内。阻容移相桥触发电路同步变压器初级电压相位与晶闸管主电路电压相位相同，其次级有一个中心抽头O将次级绕组分成OA、OB两组作为桥路的两臂，桥路的另两臂是电阻R和电容C。对角线OD为输出端。如图3.2所示。图3.2阻容移向桥触发电路根据KP50参数查到，要使晶闸管正常工作，其最起码的触发电压为3.5V，最起码的触发电流为100mA。故同步变压器次级电压应取大于2×3.5,取=10V。取移相桥对角线电流=100mA，则C≥==30（μF）（3-5）R≥==0.3(KΩ)(3-6)故取C=30μF、R=300Ω就能满足移相要求。工作原理由矢量图可知:=+=+(3-7)同时，D一直在以AB为直径的半圆上移动，从而保证了在数量上永远等于的一半。如果以作为触发信号，就可以利用改变电阻R的大小，实现对晶闸管的移相控制。即α角由决定即和共同决定。其中由可变电阻的分压情况决定，由电解电容两端电流积分值来决定。两部分电压代数和决定了两端电压，即可调的触发角。单相阻容移相触发电路的特点是简单，但触发电压是正弦波，因此触发不够准确，移相角受电网电压波动等影响较大，而且触发功率不大。正弦波同步触发电路触发电路如图3.3。图3.3触发电路图触发脉冲的形成：，脉冲的移相：αααα图3.5单结晶体管触发电路单结晶体管触发电路原理图如图3.6所示。图3.6单结晶体管触发电路图交流正弦电压经整流桥VC整流、电阻降压、限流、稳压管VW削波。取自主电路的正弦交流电通过同步变压器T降压，变为较低的交流电压，然后经二极管整流桥变成脉动直流。稳压管VW和电阻RW的作用是“削波”，脉动电压小于稳压管的稳压值时，VW不导通，其两端的电压与整流输出电压相等；如果脉动电压大于稳压管的稳压值，将使VW击穿，其两端电压保持稳压值，整流桥输出电压高出稳压值的部分降在电阻RW上。这样VW两端的电压波形近似与一个梯形波，用这个电压取代弛张振荡电路中的直流电源，起到同步作用。电路各元件参数的选择：μF，触发大容量的晶闸管是可选大些。2.放电电阻。的阻值太小，会使放电过快，尖顶脉冲过窄，不易触发导通晶闸管；的阻值太大，则漏电流（约几毫安）在上的电压降就大，致使晶闸管误触发。一般的选用范围为50-100Ω。U=（3-8）3.充电电阻R。为了获得稳定的振荡，R的阻值应满足＜R＜(3-9)μF，放电电阻约为67Ω，充电电阻R为32Ω，为12Ω，稳压管VW选择30V。集成KJ004触发电路KJ004的电路原理图如3.7所示，点划框内为KJ004的集成电路部分。～等组成同步环节，同步电压经限流电阻加到、基极。在的正半周，导通，电流途径为(+15V－－－－地)；在负半周，、导通，电流途径为(+15V－－－－－―(―15V))。因此，在正、负半周期间。基本上处于截止状态。只有在同步电压||＜0.7V时，～截止，从电源十15V经、取得基极电流才能导通。电容接在的基极和集电极之间，组成电容负反馈的锯齿波发生器。在导通时，经、迅速放电。当截止时，电流经(+15V－－－－－(－15V))对充电，形成线性增长的锯齿波，锯齿波的斜率取决于流过、的充电电流和电容的大小。根据导通的情况可知，在同步电压正、负半周均有相同的锯齿波产生，并且两者有固定的相位关系。及外接元件组成移相环节。锯齿波电压、偏移电压、移相控制电压分别经、、在基极上叠加。当>+0.7V时，导通。设、为定值，改变，则改变了导通的时刻，从而调节脉冲的相位。 图3.7KJ004的电路原理图等组成了脉冲形成环节。经电阻获得基极电流而导通，电容由电源+15V经电阻、、基射结充电。当由截止转为导通时，所充电压通过成为基极反向偏压，使截止。此后经（+15V－－－地）放电并反向充电，当其充电电压≥+1.4V时，又恢复导通。这样，在集电极就得到固定宽度的移相脉冲，其宽度由充电时间常数和决定。、为脉冲分选环节。在同步电压一个周期内，集电极输出两个相位差为180°的脉冲。脉冲分选通过同步电压的正负半周进行。如在正半周导通，截止，导通，把来自的正脉冲箝位在零电位。同时，正脉冲又通过二极管，经～放大后输出脉冲。在同步电压负半周，情况刚好相反，导通，截止，正脉冲经～放大后输出负相脉冲。说明：1．KJ004中稳压管～可提高、、、的门限电压，从而提高了电路的抗干扰能力。二极管、、～为隔离二极管。2.采用KJ004元件组装的六脉冲触发电路，二极管～组成六个或门形成六路脉冲，并由三极管～进行脉冲功率放大。3.由于、的脉冲分选作用，使得同步电压在一周内有两个相位上相差180度的脉冲产生，这样，要获得三相全控桥式整流电路脉冲，需要六个与主电路同相的同步电压。因此主变压器接成D，yn11及同步变压器也接成D，yn11情况下，集成触发电路的同步电压、、分别与同步变压器的、、相接～为锯齿波斜率电位器，～为同步相位。KJ004其正电源为15V，负电源为-15V，电源电流小于等于15mA，负电源小于等于10mA，可以实现电压同步，移向范围大于等于170度且输出脉冲宽度40~2000us，最大输出电流大于100mA，且输出驱动电压大于13V。根据芯片资料，8引脚连接电阻大小15KΩ，并且通入同步信号，即前边零点检测、信号转换生成的同步信号，4引脚形成了与参考信号相同步的锯齿波，锯齿波电压、移相电压和偏移电压在综合脚使能。在锯齿波固定时，如果移相电压为零，那么改变偏移电压就是改变触发脉冲的起始位置，也就是主电路中电压为0V时刻开始的α角，相电压和偏移电压在综合引脚使能。触发脉冲宽度是可以通过芯片外围电路带实现调节的通过11引脚和12引脚之间的电容和12引脚与16引脚之间的电阻的改变来是实现的。经过锯齿波电压、移相电压、便宜电压在9引脚的中和比较滞后，13引脚输出脉冲，而这个脉冲式正反两股驱动信号的合成脉冲，即1、15引脚的输出进入晶闸管门极以实现控制开启关断作用。可以调节、的电阻来实现对移相电压的调节。继而实现调节α角。课程设计总结经过两周的课设，我对晶闸管触发电路有了更深了理解。设计晶闸管触发电路，可以采用集成芯片如UAA4002、KJ004等，也可采用阻容移相触发电路、单结晶体管触发电路、正弦波同步触发电路等一系列电路。集成芯片本身一般都带有保护电路，可实现对晶闸管电路的就地保护。而UAA4002可快速对晶闸管施加反压，使其迅速关断。方便、简单、可靠。性能优于一般的触发电路。KJ004电路具有输出负载能力大、移相性能好、正负半周脉冲相位均衡性好、移相范围宽的特点。阻容移相电路结构简单，脉冲够宽，但触发电压为正弦波，因此触发不够准确，且移相角受电网电压波动影响较大、触发功率不大，所以具有一定的局限性。单结晶体管触发电路由于导通后很快就关断了，因此发出的脉冲宽度具有一定的限制。通过比对各触发电路自身的性能特点，以及对于参数的计算，综合考虑，UAA4002更适合做本课设要求的触发电路。起初接触晶闸管触发电路这个课设题目的时候，我对触发电路并没有一个明确的概念，通过网络电子期刊、图书馆的书籍、以及老师的讲解，我才逐渐的把这一概念具体化。最后独立设计出几个不同方案的晶闸管触发电路。其实遇到问题自己思考，独立解决，有时候比他人传授的效果更好，理解更深刻，记忆更能持久。通过做晶闸管触发电路的课程设计，一方面可以结合课程的教学内容循序渐进地进行设计方面的实践训练，另一方面，在参与一系列子项目的实践过程中，还能提高如何综合运用所学知识解决实际问题的能力，以及学习某一方向的知识等等众多方面的具体经验，增强对对电力电子课程具体内容的理解和掌握能力，培养了对整体课程知识综合运用和融会贯通能力。我加深了对课本专业知识的理解，平常都是理论知识的学习，在此次课程设计中，真正做到了自己查阅资料、自己解决问题。对触发电路、保护电路等都有了更深刻的理解。在设计的过程中，当然也遇到了很多的困难，能够讨论和查阅资料，逐一解决了这些问题。通过解决课程设计的这些难点，与其说是增加了的知识，不如说培养了我们一个积极的心态。当遇到困难时，端正态度，认真地查资料，跟老师和同学讨论，以一个最积极的充满信心的态度，最终总会解决问题。通过这次课程设计，使我懂得了只有课堂知识是远远不够的，只有把所学的知识综合起来，从理论中得出结论，提高自己独立思考的能力，才会对自己的将来有帮助。在设计的过程中发现了自己的不足之处，对以前所学