电力电子技术-第3章触发电路

电力电子技术POWERELECTRONICS扬州职业大学汽车与电气工程系

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目录

绪论

第1章电力电子器件

第2章晶闸管可控整流电路

第3章相控电路驱动控制及保护电路

第4章有源逆变电路

第5章无源逆变电路

第6章交流调压电路

第7章直流变换电路

第8章电力电子技术的应用

第9章电力电子装置的计算

2/4/20232第三章相控电路驱动控制及保护电路32/4/2023123对触发电路的要求单结晶管触发电路同步锯齿波触发电路45集成触发电路触发脉冲的同步及误触发67晶闸管的过电压保护晶闸管的过电流保护

要保证用于电力系统或电力设备主电路中的各种开关器件在工作过程中的安全和可靠，必须针对器件的不同性能和容量设计相应的辅助电路。包括：驱动电路、缓冲电路和保护电路。性能优良设计合理的辅助电路能使开关器件工作在较理想的开关状态，减少开关损耗，提高器件工作可靠性。2/4/202343.1对触发电路的要求

SCR导通必须的外界条件：

阳极加正向电压，门极加正触发信号。

当SCR导通后，门极控制信号不再起作用，直到阳极电压减小或反向后，阳极电流小于维持电流，晶闸管才自行关断。因此，晶闸管的门极驱动电路又称为触发电路。触发电路的作用：为晶闸管提供适当的门极触发电压与触发电流。2/4/20235晶闸管通常采用相位控制方式。一般晶闸管变流电路的控制框图2/4/20236

晶闸管的型号很多，其应用电路种类也很多，不同的晶闸管型号、不同的晶闸管应用电路对触发信号都会有不同的具体要求。归纳起来，晶闸管触发主要有移相触发、过零触发和脉冲列调制触发等。不管是哪种触发电路，对它产生的触发脉冲都有如下要求：

1.触发信号可为直流、交流或脉冲电压。由于晶闸管触发导通后，门极触发信号即失去控制作用，为了减小门极的损耗，一般不采用直流或交流信号触发晶闸管，而广泛采用脉冲触发信号。2/4/20237

2.触发脉冲应有足够的功率。触发脉冲的电压和电流应大于晶闸管要求的数值，并留有一定的裕量。触发功率的大小是决定晶闸管元件能否可靠触发的一个关键指标。由于晶闸管元件门极参数的分散性很大，随温度的变化也大，为使所有合格的元件均能可靠触发，可参考元件出厂的试验数据或产品目录来设计触发电路的输出电压和电流值。2/4/20238ADEFGCBA区域为可靠触发区：当晶闸管门极施加的触发电压，电流在该范围时，所有合格元件均能可靠触发开通，则可以保证合格元件的通用性。晶闸管门极伏安特性图(a)为门极伏安特性区域，0D为低阻特性，0G为高阻特性。图(b)为图(a)中0ABC0的放大图形。2/4/202390HIJ0区域为不触发区：当晶闸管门极施加的触发电压，电流在该范围内时，任何合格的晶闸管元件都不会被触发，从而确定了晶闸管的抗干扰性能。ABCJIHA区域为不可靠触发区：当晶闸管门极施加的触发电压，电流在该区域时，有的晶闸管可以触发开通，有的则不能触发开通。因此，触发电路产生的触发信号也不应该落在该区域中。晶闸管门极伏安特性2/4/202310触发电路的触发信号必须在晶闸管门极伏安特性的可靠触发区。同时要求脉冲功率不超过允许瞬时最大功率限制线和平均功率限制线。(2)触发脉冲应具有一定的宽度，触发脉冲消失前，阳极电流应能上升至擎住电流，保证晶闸管可靠开通。2/4/202311

3.触发脉冲应有一定的宽度，脉冲的前沿尽可能陡，以使元件在触发导通后，阳极电流能迅速上升超过掣住电流而维持导通。普通晶闸管的导通时间约为6μs，故触发脉冲的宽度至少应有6μs以上。对于电感性负载，由于电感会抵制电流上升，因而触发脉冲的宽度应更大一些，通常为0.5～1ms。此外，某些具体的电路对触发脉冲的宽度会有一定的要求，如三相全控桥等电路的触发脉冲宽度要求大于60°或采用双窄脉冲。2/4/202312

4.触发脉冲必须与晶闸管的阳极电压同步，脉冲移相范围必须满足电路要求。为保证控制的规律性，要求晶闸管在每个阳极电压周期都必须在相同的控制角触发导通，这就要求触发脉冲的频率与阳极电压的频率一致，且触发脉冲的前沿与阳极电压应保持固定的相位关系，这叫做触发脉冲与阳极电压同步。不同的电路或者相同的电路在不同负载、不同用途时，要求α的变化范围（移相范围）亦即触发脉冲前沿与阳极电压的相位变化范围不同，所用触发电路的脉冲移相范围必须能满足实际的需要。2/4/202313触发信号要有足够大的触发功率。触发脉冲的前沿要陡，宽度要足够。一般要求：脉冲前沿t1<10μs，宽度电阻性负载tW=30μs左右

大电感负载tW=0.5~1ms触发脉冲应与主电路电压同步。即触发脉冲与主电压保持某种固定的相位关系，保证晶闸管在每周期都以相同的控制角α触发导通。触发脉冲应有足够的移相范围。2/4/202314脉冲的宽度应保证晶闸管可靠导通。触发脉冲应有足够的幅度。不超过门极电压、电流和功率定额，且在可靠触发区域之内。有良好的抗干扰性能、温度稳定性及与主电路的电气隔离。IIMt1t2t3t4图3-1理想触发脉冲波形t1~t2脉冲前沿上升时间（<1s）t1~t3强脉宽度IM强脉冲幅值（3IGT~5IGT）t1~t4脉冲宽度I脉冲平顶幅值（1.5IGT~2IGT）2/4/202315图3-2常见的晶闸管触发电压波形

（a）为正弦波触发脉冲信号。前沿不陡，触发准确性差，仅用在触发要求不高的场合；（b）尖脉冲。生成较容易，电路简单，用于触发要求不高的场合；2/4/202316（c）矩形脉冲；（d）强触发脉冲。前沿陡，宽度可变，有强触发功能，适用于大功率场合；（e）双窄脉冲。有强触发功能，变压器耦合效率高，用于控制精度较高，感性负载的装置；（f）脉冲列。具有双窄脉冲的优点，应用广泛。2/4/202317触发电路的种类分立元件触发电路：简单触发电路单结管触发电路正弦波触发电路锯齿波触发电路集成触发器：KC04移相触发器

TC787移相触发器计算机控制数字触发电路2/4/2023183.2单结晶体管触发电路单结晶体管移相触发电路是一种较简单的触发电路，采用延时移相方法，主要用于小功率单相或三相半波晶闸管整流装置。发射极e第一基极b1第二基极b22/4/202319NPPN结b1基极基极b2发射极e结构示意图eb2b1符号eb2b1rb1rb2VD等效电路低参杂高参杂3.2.1单结晶体管的结构

发射极e、

第一基极b1、第二基极b2，

单结晶体管或双基极二极管。

2/4/202320

VD等效e和b1间的PN结，其正向压降VD=0.7V。

Rb1表示e与b1

间电阻，它随发射极电流而变，即：

IE

上升，Rb1下降。

Rb2

表示e与b2

间的电阻，数值与IE

无关。

Rbb

两基极间电阻，

Rbb=Rb1+Rb2。

称为分压比，一般在

0.3~0.8之间。单结晶体管图形符号和等效电路2/4/2023212.单结晶体管工作原理①当Q1断开，Q2闭合时

外加基极电压Ubb由Rb1、Rb1分压，A点对b极电压为：

2/4/202322②当Q1闭合，Q2断开时（外加基极电压Ubb=0）2/4/202323eb2b1rb1rb2DReVEEVBBb1+UEIE测试电路A③当Q1、Q2均闭合时

当UE为零时，二极管承受反向电压IE为二极管的反向电流当UE=UA时，IE=

0若UE继续增大使PN结正向偏置，则IE变为正向电流2/4/202324eb2b1rb1rb2DReVEEVBBb1+UEIE测试电路A当UE增大到UP，单结晶体管进入负阻工作区IE的增加只受输入回路外部电阻的限制截止条件：输入回路开路或

IE很小2/4/202325

指发射极电压Ue与发射极电流Ie之间的关系曲线。即Ie=f（Ue）三个工作区：截止区、负阻区、饱和区

单结管的导通条件：Ue≥UP（峰点电压）单结管的关断条件：Ue<UV单结管具有负阻特性，即ΔUe

/ΔIe<0+-UeIeUbb3.伏安特性2/4/202326(1)截止区，当UE<UA+UD

Eb1b2DRb2Rb1AREUEUBBEEIEUA=Rb1UBBRb1Rb2+=

UBBPN结反偏，IE很小当UE增加到PN结导通的峰点电压

UP，单结晶体管将进入导通状态。UVUEUpVIEIV截止区负阻区饱和区PIP2/4/202327UVUEUpVIEIV截止区负阻区饱和区PIP(2)负阻区，当UE

UP

PN结导通，IE显著增加，同时UE下降。由于RB1随着PN结导通急剧下降，故分压比也下降，又引起维持PN结导通的UE进一步下降。形成正反馈，一直达到谷点V。这段曲线表现出负阻特性。2/4/202328Eb1b2DRb2Rb1AREUEUBBEEIEVA=Rb1UBBRb1Rb2+=

UBBUVUEUpVIEIV截止区负阻区饱和区PIP(3)饱合区当IE

IV后RB1不再下降，随IE增加UE缓慢上升。动态电阻为正值。2/4/202329

单结晶体管的伏安特性（1）当UE<UP时，单结晶体管截止，P点称为峰点，UP为峰点电压，IP为峰点电流。（2）当UE>UP时，单结晶体管导通，IE迅速增大，UE减小，进入负阻区。（3）当UE<UV时，单结晶体管由导通恢复到截止状态，V点称为谷点，UV为谷点电压，IV为谷点电流。

峰点P和谷点V是单结晶体管的特殊点，UE>UP

时导通，UE<UV时截止。2/4/202330EDRB2RB1AREUEUBBEEUEUpUVVIEIV截止区负阻区饱和区PIPIE2.当发射结电压UE≥UP时,单结晶体管导通；若管子导通后UE<UV时,单结晶体管截止。1.

在点P、V之间,单结晶体管呈现负阻特性。结论B1B22/4/2023313.2.2自激振荡电路1.电路组成E的作用

2.工作原理接通电源后，C先充电。使uc↑。当uc↑=UP时，单结管导通，C放电，使uc↓当uc↓=UV时，单结管截止，C再充电。重复以上过程。充电放电设uc(0)=02/4/2023322/4/202333单结晶体管弛张振荡电路及波形2/4/202334RR2R1CuGUBB电阻R2的作用是温度补偿。无R2时，若温度升高，则二极管的正向电压降降低，单结晶体管的峰点电压Up也就随之下降，导致振荡频率f不稳定。有R2时，若温度升高，则RBB增加，进而使UBB增加。峰点电压Up基本维持不变，保证振荡频率f基本稳定。通常R2取200～600Ω。2/4/202335充电RR2R1C放电

uGuGUBBuGuCUPUV0tt当电容放电至uc<UV时单结晶体管截止,电容重新充电。振荡原理当电容充电到uc≥Up时,单结晶体管导通,经R1放电;循环往复,在电阻R1上形成触发脉冲uG

。02/4/202336

τ充=ReCτ放=（R1+Rb1）C

振荡周期

T=t充+t放≈t充=ReCln(τ充

>>τ放

)

振荡频率

f=调节Re即可改变振荡频率。当Re↓时，f↑，脉冲密度↑；反之，减小。当Re阻值必须合适2/4/202337Re的选取：①Re必须保证当ue=UP时，充电电流>IP②Re必须保证当ue<UV时，Ie<IV2/4/202338例3-1

单结晶体管自激振荡电路，管子型号：BT-35B，

IP=4μA，分压比η=0.6，UV=3.5A，IV=2mA，U=20V。

求：⑴Re的范围；⑵C取0.22μF时的振荡频率f的调节范围。

解：⑴2/4/202339⑵2/4/2023403.2.3单结晶体管同步触发电路主电路控制电路＋

uo－~＋u21－VD1VD2VT1VT2RL＋u22－＋uG－＋

uz－＋uC－RR2R1CRP2/4/2023412）同步电路触发信号和电源电压在频率和相位上相互协调—同步。同步电路由同步变压器、桥式整流电路VD1～VD4、电阻R1及稳压管组成。

1）单结晶体管触发电路，是由同步电路和脉冲移相与形成两部分组成的。2/4/2023422/4/2023432/4/202344

触发电路主电路同步电源单结管振荡电路ubb＋－主电路与触发电路必须接在同一电源上电源u2→同步变压器TS→二极管整流→稳压管削波→梯形波电压→

同步电源ubb。ubbuωt0uAπ2πubb与u2过零点时刻一致1.同步电源ubb的获得2/4/2023452.同步原理

主电压u2过零时，正好ubb=0，使每半个周期电容C总是从0开始充电。只要UP及τ充一定，则C充电达到UP的时间也就一定，即：每半个周期发出的第一个触发脉冲的时间t充一定，保证了每周期控制角α相等，即晶闸管的导通角相等，从而实现了同步。

触发电路主电路ubb＋－主电路与触发电路必须接在同一电源上同步电源单结管振荡电路2/4/2023462.同步原理

触发电路主电路ubb＋－主电路与触发电路必须接在同一电源上ubbuωt0uAπ2πuPuCugωt0α3α2α1α1=α2=α3=…

=α同步电源单结管振荡电路UV2/4/2023473.移相方法

触发电路主电路ubb＋－主电路与触发电路必须接在同一电源上Re↑→τ充↑→t充↑→α↑→Ud↓t充为uC从0充电到UP所需的时间。τ充为电容C的充电时间常数；改变可调电阻Re：实际移相范围只有140º左右。同步电源单结管振荡电路当调节电阻Re增大时，充电时间增大，第一个脉冲出现的时刻后移，即控制角α增大，实现了移相。2/4/202348

触发电路主电路ubb＋－主电路与触发电路必须接在同一电源上同步电源单结管振荡电路4．脉冲输出触发脉冲由R1直接取出，这种方法简单、经济，但触发电路与主电路有直接的电联系，不安全。可以采用脉冲变压器输出来改进这一触发电路。2/4/202349

单结晶体管触发电路的特点：

电路结构简单，实现容易，且功率损耗小，但输出脉冲窄、输出功率小。一般只适合于单相且带电阻负载的可控整流电路，触发50A以下的小功率晶闸管。2/4/202350

单相交流调压电路（调光、调温）2/4/2023512.电瓶充电机电路R1~AVR2R4R3RPDDZTC+_待充电瓶T1

该电瓶充电机电路使用元件较少，线路简单，具有过充电保护、短路保护和电瓶短接保护。2/4/202352工作原理

R2、RP、C、T1、R3、R4构成了单结晶体管触发电路。

当待充电电瓶接入电路后，触发电路获得所需电源电压开始工作。R1~AVR2R4R3RPDDZTC+_待充电瓶T12/4/202353

当电瓶电压充到一定数值时，使得单结晶体管的峰点电压UP大于稳压管DZ的稳定电压，单结晶体管不能导通，触发电路不再产生触发脉冲，充电机停止充电。

R1~AVR2R4R3RPDDZTC+_待充电瓶T12/4/202354R1~AVR2R4R3RPDDZTC+_待充电瓶T1触发电路和整流电路的同步由二极管D和电阻R1来完成的。

①交流电压过零变负后，电容通过D和R1迅速放电。

②交流电压过零变正后D截止，电瓶电压通过R2

、RP向C

充电。改变RP之值，可设定电瓶的初始充电电流。2/4/2023553.3同步电压为锯齿波的触发电路相控电路：晶闸管可控整流电路，通过控制触发角a的大小，即

控制触发脉冲起始相位来控制输出电压大小。为保证相控电路正常工作，很重要的是应保证按触发角a的大小在正确的时刻向电路中的晶闸管施加有效的触发脉冲。——触发电路。大、中功率的变流器广泛应用的是晶体管触发电路，其中以同步信号为锯齿波的触发电路应用最多。2/4/2023562/4/202357

电路组成锯齿波触发电路，由锯齿波形成、同步移相环节与脉冲放大两部分组成，具有强触发、双脉冲和脉冲封锁功能，由于采用锯齿波作为同步电压，不直接受电网波动影响，在中大容量晶闸管系统中广泛使用。■电路输出可为双窄脉冲（适用于有两个晶闸管同时导通的电路），也可为单窄脉冲。2/4/202358（1）脉冲形成和放大环节2/4/202359脉冲形成环节由V4、V5、V6构成；放大环节由V7、V8组成。控制电压uc加在V4

基极上，触发脉冲由

脉冲变压器TP二次输出。

3.3.1脉冲形成放大环节

（1）脉冲形成和放大环节V4V5V6——脉冲形成环节V7V8——脉冲放大2/4/202360当V4的基极电压uco=0时，V4截止。电源+15V经R14、R15供给V5、V6基极电流，使其饱和导通。V5集电极电压=-15V，

V7、V8处于截止状态，无脉冲输出。电源+15V经R11、C3、V5发射极、V6、VD4对电容C3充电，充满后电容端电压接近30V。（1）脉冲形成和放大环节

电容C3充电过程2/4/202361uco≥0.7V时，V4导通。④

点电位从+15V突降到

1V，由于电容C3两端电压不能突变，所以V5基极电位也突降到-30V，V5立即截止。

V5的集电极电压⑥由

-15V迅速上升到2.1V时，使得V7、V8导通，输出触发脉冲。（1）脉冲形成和放大环节

电容C3放电过程2/4/202362同时电容C3由+15V经

R14、VD3、V4放电并

反向充电，使V5基极电位⑤逐渐上升。直到V5基极电位大于

-15V，V5又重新导通。这时V5集电极电压立即降到-15V，使V7、V8

截止，输出脉冲终止。

脉冲前沿由V4导通时刻确定，脉冲宽度由反向充电时间常数R14C3决定。

（1）脉冲形成和放大环节

电容C3放电过程2/4/202363（1）当uc=0,→V4截止，→V5、V6饱和导通，→V7、

V8截止，无脉冲输出，同时C3被充电为30V；（2）当uc≈0.7V，V4通,→u5b=-30V，→V5止，→V7、V8通，→输出触发脉冲。

工作过程同时C3经电源、R14、VD3、V4放电和反

充电，→u5b↑→u5b＞-15V,→V5重新导

通，→

V7V8止，输出脉冲终止。2/4/2023643.3.2锯齿波形成、同步移相环节

原理：利用受正弦同步信号电压控制的锯齿波电压作为同步电压，再与直流控制电压uc与直流偏移电压ub组成并联控制，进行电流叠加，控制V4实现的。2/4/202365电路由V1、V2、V3

和C2等元件组成，其中V1、VZ、R3和

R4为一恒流源电路。

2/4/202366

工作过程当V2截止时，恒流源V1电流IC1对电容C2充电，所以C2两端的电压uC为uC按线性增长，即ub3按线性增长。调节电位器RP1，可以改变C2的恒定充电电流IC1。

1.充电过程2/4/2023672.放电过程当V2导通时，因R5很小，所以C2经R5、V2迅速放电，使得uC2电位迅速降到零伏附近。当V2周期性地导通和关断时，uC2便形成一锯齿波。射极跟随器V3的作用：

减小控制回路电流对锯齿波电压uC2的影响。V4基极电位由锯齿波电压、控制电压uc、直流偏移电压

ub三者叠加所定，它们分别通过电阻R7、R8、R9与V4基极连接。2/4/202368根据叠加原理，分析V4基极电位时，可分别看成锯齿波

ue3（③）、控制电压uc（+）、偏移电压ub（—）单独作用的叠加。⑴V4基极断开时，锯齿波电压ue3单独作用在V4基极时：可见，仍为锯齿波，但斜率比ue3

低。2/4/202369同理，直流偏移电压ub

单独作用在V4基极时的电压为：

控制电压uc

单独作用在V4基极时的电压为：

所以，V4基极电流：2/4/202370当V4不导通时，V4的基极b4的波形由确定。当b4点电压等于0.7V后，V4导通。产生触发脉冲。改变便可以改变脉冲产生时刻，脉冲被移相。加ub

的目的是为了确定控制电压uc=0时脉冲的初始相位。以三相全控桥为例：当接反电势电感负载时，脉冲初始相位应定在α=90°；当uc=0时，调节ub的大小使产生脉冲的Q点对应α=90°。当uc=0时，α=90°，则输出电压为0；若uc为正，Q点就向前移，控制角α<90度，处于整流工作状态；若uc为负，Q点就向后移，控制角α>90度，处于逆变状态。

2/4/202371同步信号为锯齿波的触发电路的工作波形

2/4/202372同步环节是由同步变压器

TS、VD1、VD2、C1、R1

和晶体管V2组成。同步变压器TS和整流变压器接在同一电源上，用TS的二次电压来控制V2的通断作用，这就保证了触发脉冲与主电路电源同步。3.3.3同步环节

2/4/202373锯齿波是由开关管V2控制的，也就是由V2的基极电位决定的。同步电压uTS经二极管VD1加在V2的基极上。当电压波形在负半周的下降段时，因Q点为零电位，VD1

导通，电容C1被迅速充电。在这一阶段V2基极为反向偏置，V2截止。同步——要求触发脉冲的频率与主电路电源的频率相同且相位关系确定。2/4/202374在负半周的上升段，+15V电源通过R1给电容C1充电，其上升速度比uTS波形慢，故VD1截止，uQ为电容反向充电波形。当Q点电位达1.4V时，V2导通，Q点电位被钳位在1.4V。直到TS二次电压的下一个负半周到来，VD1重新导通，

C1放电后又被充电，V2截止。如此循环往复，在一个正弦波周期内，包括截止与导通两个状态，对应锯齿波波形恰好是一个周期，与主电路电源频率和相位完全同步，达到同步的目的。可以看出锯齿波的宽度是由充电时间常数R1C1决定的。

2/4/202375锯齿波是由开关V2管来控制的。V2开关的频率就是锯齿波的频率——由同步变压器所接的交流电压决定。V2由导通变截止期间产生锯齿波——锯齿波起点基本就是同步电压由正变负的过零点。V2截止状态持续的时间就是锯齿波的宽度——取决于充电时间常数R1C1。2/4/202376双窄脉冲形成触发电路自身在一个周期内可输出两个间隔60度的脉冲，称内双脉冲电路。而在触发器外部通过脉冲变压器的连接得到双脉冲称为外双脉冲。本触发电路属于内双脉冲电路。当V5、V6都导通时，V7、V8截止，没有脉冲输出。只要V5、V6有一个截止，就会使V7、V8导通，有脉冲输出。因此本电路可产生符合要求的双脉冲。2/4/202377

内双脉冲电路：

V5、V6构成一个“或”门

☞当V5、V6都导通时，V7、V8都截止，没有脉冲输出。

☞只要V5、V6有一个截止，都会使V7、V8导通，有脉冲输出。

☞第一个脉冲由本相触发单元的uc对应的控制角产生。隔60的第二个脉冲是由滞后60相位的后一相触发单元产生（通过V6）。2/4/202378在三相桥式全控整流电路中，双脉冲环节的可按下图接线。六个触发器的连接顺序是：

1Y-2X、2Y-3X、3Y-4X、4Y-5X、5Y-6X、6Y-1X。

2/4/202379图中的X和Y为双脉冲产生作用所设。在三相桥式全控电路、交流调压电路等应用场合，都需要双脉冲触发，即在触发当前晶闸管的同时要向前一号晶闸管补发一个触发脉冲。晶闸管电路在采用锯齿波触发器时，每一个晶闸管都配有一套触发电路，产生双脉冲的方法是将本触发电路的X端与前一号触发电路的Y端连接，这样V4导通时不但使电路V5截止，同时也会通过X-Y连接使前一号触发电路的V6截止。

V5和V6为串联连接，任何一个关断都会使V5的集电极电位抬高，使后续电路的功率放大晶体管得到正偏压而导通形成触发脉冲。X、Y的作用2/4/202380强触发50V直流电压，经R19对C6充电，N点电位为50V。当V8导通时，C6经脉冲变压器一次侧R17、V8迅速放电，形成脉冲尖峰，由于回路电阻很小，且电容C6的存储能量有限，N点电位迅速下降。当N点电位下降到14.3V时，VD10导通，N点电位被15V电源钳位在14.3V，形成脉冲平台。C5组成加速电路，用来提高触发脉冲前沿陡度。

2/4/202381二极管VD5阴极接零电位或负电位，使V7、V8截止，可以实现脉冲封锁。VD5用来防止接地端与负电源之间形成大电流通路。

脉冲封锁2/4/2023823.4集成触发电路目前国内生产的集成触发器有KJ系列和KC系列，国外生产的有TCA系列；下面简要介绍由KC系列的KC04移相触发器、KC42脉冲调制形成器和KC41C六路脉冲形成器的工作原理。

2/4/2023833.4.1KC04移相集成触发器

同步环节、移相控制、锯齿波形成、脉冲形成与放大、脉冲分选与输出。

组成环节：同步环节：实现触发脉冲与主电路的同步。移相控制：实现触发脉冲的移相。脉冲输出环节中脉冲变压器：降低脉冲电压而增大脉冲电流；主电路与触发电路之间进行电气隔离；多相电路中各相触发电路之间相隔离。2/4/202384

KC04型移相集成触发电路

2/4/2023851、KC04移相触发器的主要技术指标如下：电源电压：DC±l5V，允许波动±5%；电源电流：正电流≤l5mA，负电流≤8mA；移相范围：≥(=30V，=l5KΩ)；脉冲宽度：400s～2ms；脉冲幅值：≥13V；最大输出能力：100mA；正负半周脉冲不均衡：≤土；环境温度：-——。2/4/2023862、内部结构2/4/202387

外引脚排列图各引脚电压波形A相ug1ug4该电路在一个交流电周期内，在1脚和15脚输出相位差180º的两个窄脉冲，可以作为三相全控桥主电路同一相所接的上下晶闸管的触发脉冲，16脚接＋15V电源，8脚接同步电压，4脚形成锯齿波，9脚为锯齿波、偏移电压、控制电压综合比较输入。13、14脚提供脉冲列调制和脉冲封锁控制端。2/4/202388引脚号符号功能用法1In-PV同相脉冲输出端接正半周应导通晶闸管的脉冲功率放大器及脉冲变压器2NC空脚3CT锯齿波电容连接端通过电容接4脚4uT锯齿波电压输出端通过电阻接移项综合端5-UCC工作负电源输入端接用户系统负电源6NC空脚7GND接地端，为整个电路提供一参考地端接用户的控制电源地端8uS同步电源信号输入端接同步变压器的二次侧，同步电压为30V2/4/202389引脚号符号功能用法9uΣ移项、偏置及同步信号综合端分别通过三个等值电阻接锯齿波、偏置电压及移项电压10NC空脚11uP方波脉冲输出端，该端的输出信号反映了移项脉冲的相位通过一电容接12脚12UW脉宽信号输入端，该端与11脚所接电容的大小反映了输出脉冲的宽度接调制脉冲源输出或保护电路输出13UC-负脉冲调制及封锁控制端，通过该端输入信号的不同，可对负输出脉冲进行调制或封锁接调制脉冲源输出或保护电路输出14UC+正脉冲调制及封锁控制端，通过该端输入信号的不同，可对正输出脉冲进行调制或封锁接调制脉冲源输出或保护电路输出15Ou-PV反向脉冲输出端接负半周应导通晶闸管的脉冲功率放大器及脉冲变压器16+UCC系统正电源输入端接控制电路电源2/4/2023902、内部结构2/4/202391

①同步环节V1～V4等组成同步环节，同步电压us经限流电阻R4加到

V1、V2的基极。在同步电压正半波us

＞0.7V时，V1导通，V4截止；在同步电压负半波us

＜—0.7V时，V2、V3导通，V4截止；只有在│us│＜0.7V时，V4导通。

②

锯齿波形成

V4截止时，C1充电，形成锯齿波的上升段，V4导通时，

C1放电，形成锯齿波的下降段，每周期形成两个锯齿波，锯齿波宽度小于180°。2/4/2023922、内部结构2/4/202393

③移相环节

V6及外接元件组成移相环节，基极信号是锯齿波电压、

偏移电压和控制电压的综合。改变V6基极电位，V6导通时刻随之改变，实现脉冲移相。

④脉冲形成

V7等组成脉冲形成环节，平时V7导通，电容C2充电为左正右负。V6导通时，其集电极电位突然下降，同时引起V7截止。电容C2放电并反充电为左负右正。当V7基极电位Ube7≥0.7V时，V7导通，V7集电极有脉冲输出。V7集电极每周期输出间隔180°的两个脉冲。2/4/202394

⑤

脉冲分选V8、V12组成脉冲分选环节，脉冲分选保证同步电压正半周

V8截止，同步电压负半周V12截止，使得触发电路在一周内有两个相位上相差180°的脉冲输出。

KC04的同步电压可取任意值，限流电阻R4的估算值：

R4=同步电压/（1~2mA）2/4/202395KC04移相触发器主要用于单相或三相全控桥式装置。KC系列中还有KC0l，KC09等。KJ00l主要用于单相、三相半控桥等整流电路中的移相触发，可获得宽脉冲。KC09是KC04的改进型，两者可互换，适用于单相、三相全控式整流电路中的移相触发，可输出两路相位差180度的脉冲。它们都具有输出负载能力大、移相性能好以及抗干扰能力强的特点。2/4/202396KC04的一个典型应用电路

2/4/202397脉冲调制形成器电路，主要适用于三相全控桥整流电路、三相半控、单相全控、单相半控等线路中用做脉冲调制源。

图3-16KC42脉冲调制形成器电路图

3.4.2KC42脉冲调制形成器

2/4/202398KC41不仅具有双脉冲形成功能，它还具有电子开关控制封锁功能。图3-18KC41六路双窄脉冲形成器内部电路及外部接线图

3.4.3KC41C六路双脉冲形成器

2/4/202399ug1ug2ug3ug4ug5ug6三块KC04的输出1~6引脚：输入KC04的6个脉冲；10~15引脚：脉冲放大输出；

7引脚：控制接地，脉冲正常输出；悬空：无脉冲输出。完整的三相全控桥触发电路

◆3个KC04集成块和1个KC41C集成块，可形成六路双脉冲，再由六个晶体管进行脉冲放大即可。2/4/2023100

二、KC41C六路双脉冲形成电路ug1ug2ug3ug4ug5ug6三块KC04的输出ug1ug2ug3ug4ug5ug62/4/20231013.4集成触发电路

三、集成三相触发电路A相B相C相2/4/20231023.4.4由集成元件组成的三相触发电路三相六脉冲形成电路

2/4/20231033.5触发脉冲与主电路的同步

要使晶闸管装置得到稳定的输出，必须保持各周期中控制角α不变，即：

要求各晶闸管均具有相同的控制角。

为了达到这个目的，触发脉冲和主电压之间必须保持频率一致和固定的相位关系。

同步的基本概念注意：要实现同步，主电压与同步电压必须接在同一电源上。

2/4/2023104

反映主电压频率和相位的信号可以从加在晶闸管装置上的电源电压获得，让它作用于触发电路，使所产生的触发脉冲能同步地触发晶闸管。

这种包含主电压频率和相位信息的正弦交流信号us称为同步电压。

系统组成框图：

2/4/2023105为实现同步，必须根据被触发晶闸管的阳极电压u2的相位，正确供给触发电路特定相位的同步电压us，以保证us与u2具有固定的相位关系。这种正确选择同步电压相位的方法，称为晶闸管装置的同步或定相。

2/4/2023106分析三相全控桥2/4/2023107Ott1t2uaubucu2ua-图3-19三相全控桥中同步电压与主电路电压关系示意图2/4/2023108◆分析三相全控桥

☞VT1所接主电路电压为+ua，VT1的触发脉冲从0至180

的范围为t1~t2。

☞锯齿波的上升段为240，上升段起始的30和终了的30

线性度不好，舍去不用，使用中间的180，

锯齿波的中点与同步信号的300位置对应。

☞将=90确定为锯齿波的中点，锯齿波向前向后各有90

的移相范围。于是=90与同步电压的300对应，也就是

=0与同步电压的210对应。

☞=0对应于ua的30的位置，则同步信号的180与

ua的0对应，说明VT1的同步电压应滞后于ua180。☞对于其他5个晶闸管，也存在同样的对应关系。2/4/2023109二、影响定相的主要因素

1.整流变压器与同步变压器的联结组别因同步变压器的二次侧只能采用星形联结，故实际常用12种接法。三相变压器共有24种联结组别2/4/20231102/4/2023111三、定相举例

方法：电压矢量分析法已知：主电路结构、触发电路类型、TR联结组别。目的：求TS的联结组别。步骤：1）根据已知整流变压器TR联结组别，画出二次相电压矢量；2）根据触发电路确定uSA与uA的相位关系；3）画出同步变压器TS的电压矢量；4）确定同步变压器TS的钟点数；5）画出电路接线图。2/4/20231123.5.2防止误触发的措施通常可采用如下措施:

（1）脉冲变压器初、次级间加静电隔离;

（2）应尽量避免电感元件靠近控制极电路;

（3）控制极回路导线采用金属屏蔽线，且金属屏蔽线应接“地”;

（4）选用触发电流较大的晶闸管;

（5）在控制极和阴极间并联一个0.01～0.1μF电容器，可以有效地吸收高频干扰;

（6）在控制极和阴极间加反偏电压。2/4/20231133.6晶闸管的过电压保护

晶闸管承受过电压、过电流的能力很差，这是它的主要缺点。

晶闸管的热容量很小，一旦发生过电流时，温度急剧上升，可能将PN结烧坏，造成元件损坏。例如一只100A的晶闸管过电流为400A时，仅允许持续0.02秒，否则将因过热而损坏。

晶闸管耐受过电压的能力极差，电压超过其反向击穿电压时，即使时间极短，也容易损坏。2/4/2023114过电压外因过电压内因过电压操作过电压雷击过电压换相过电压关断过电压换相过电压

晶闸管在换相结束后不能立刻恢复阻断，因而有较大的反向电流流过；当恢复阻断能力时，该反向电流急剧减小，会由线路电感在器件两端感应出过电压。关断过电压全控型器件关断时，正向电流迅速降低而由线路电感在器件两端感应出的过电压。2/4/2023115图3-18晶闸管关断过电压波形

3.6.1晶闸管关断过电压及其保护关断过电压

晶闸管在导通到阻断时，电流在反向电压作用下，会瞬间出现一个较大的反向电流，从而产生一个瞬间过电压。关断过电压可达到工作峰值电压的5~6倍，所以必须采取保护措施。2/4/2023116uT1VT1由导通－关断VT1VT2L

关断过电压保护方法：在晶闸管两端并接RC吸收电路，如图过电压阻容吸收电路R一般取10~30欧姆，其功率满足：2/4/20231173.6.2交流侧过电压及其保护1.交流侧操作过电压

（1）整流变压器一次、二次绕组之间存在分布电容，当在一次侧电压峰值时合闸，将会使二次侧产生瞬间过电压。可在变压器二次侧并联适当的电容或在变压器星形和地之间加一电容器，也可采用变压器加屏蔽层，这在设计、制造变压器时就应考虑。

见教材P89图3-24（a）

2/4/2023118（2）与整流装置相连接的其他负载切断时，由于电流突然断开，会在变压器漏电感中产生感应电动势，造成过电压;

（3）当变压器空载，电源电压过零时，一次拉闸造成二次绕组中感应出很高的瞬时过电压。见教材P89图3-24（b）、（c）

上述两种情况产生的过电压都是瞬时的尖峰电压，常用阻容吸收电路或整流式阻容保护。2/4/2023119

过压保护的基本原则是：

根据电路中过电压产生的不同部位，加入不同的附加电路，当达到一定过压值时，自动开通附加电路，使过电压通过附加电路形成通路，消耗过压储存的电磁能量，从而使过电压的能量不会加到主开关器件上，保护了电力电子器件。2/4/2023120

图3-20交流侧阻容吸收电路的几种接法2/4/2023121在单相变压器次级加入的并联阻容保护电路如下图所示。电容、电阻的计算公式分别为式中，S为变压器每相平均计算容量，单位为VA；

U2为变压器二次侧相电压有效值，单位为V；

io%为变压器励磁电流百分值，一般取4~10；

uk%为变压器的短路电压百分值，一般取5~10。电容的交流耐压1.5UC，电阻的功率使用经验公式估算

其中，IC为正常工作时流过阻容电路的交流电流有效值；

UC为正常工作时阻容两端交流电压的有效值。2/4/2023122对于右图所示的三相电路，变压器二次绕组和阻容保护均采用Y接法，则电容、电阻的计算式和单相时一样。对于右图所示的三相电路，变压器二次绕组为Y接法，阻容保护为接法，那么电容、电阻在用单相公式计算的基础上要进行Y-变换，求得连接时的阻容值，即C=CY/3，R=3RY。对于大容量的变换器，可采用右图所示的三相整流式阻容保护电路，C可采用体积小、容量大的电解电容，RC的作用是吸收电容上的过电压能量。2/4/2023123（4）交流侧浪涌过电压

由于雷击或从电网侵入的高电压干扰而造成晶闸管过电压,称浪涌过电压。浪涌过电压虽然具有偶然性，但它可能比操作过电压高得多，能量也特别大。因此无法用阻容吸收电路来抑制，只能采用类似稳压管稳压原理的压敏电阻或硒堆元件来保护.图3-21硒堆保护的接法

2/4/2023124

硒堆保护

硒堆

若干片硒整流元件组成硒堆。具有较陡的反向非线性特性，当超过转折电压时，反向电流增加很快，消耗较大瞬时功率，过电压被限制在硒堆的反向击穿电压。每片硒片的额定电压有效值一般为20~30V。

优点：能吸收较大的浪涌能量;

缺点：长期不用反向电阻会下降。

初次使用时，必须先加50%额定电压10min，再加额定电压2h，才能恢复其原有的反向伏安特性。2/4/2023125

硒堆：正向为二极管特性，使用时将两组硒堆反向对接，使双向具有稳压管特性。2/4/2023126

压敏电阻压敏电阻具有近似稳压管的伏安特性，可把浪涌电压限制在电力电子器件允许的电压范围。正常工作时漏电流很小，故损耗小；当过压时，可通过高达数千安的放电电流IY，因此抑制过压的能力强。压敏电阻对浪涌电压反应快，而且体积小，是一种较好的过压保护器件；主要缺点是持续平均功率很小，如正常工作电压超过它的额定值，则在很短时间内就会烧毁。压敏电阻是一种金属氧化物的非线性电阻，具有正、反两个方向相同但很陡的伏安特性，如右图所示。2/4/2023127

图3-28压敏电阻的几种接法

由于压敏电阻的正、反向特性对称，因此单相电路只需1个，三相电路用3个，连接成Y形或形，如下图所示。2/4/2023128压敏电阻的主要参数：

额定电压U1mA：漏电流为1mA时的电压值；残压比：UY/U1mA，其中UY为放电电流达到规定值IY时的电压；通流容量：在规定的波形（冲击电流前沿10s，持续时间20s）下允许通过的浪涌电流。压敏电阻的选用方法：额定电压：U1mA(1.05~1.1)工作电压峰值/(0.8~0.9)

UY：UY<被保护元件的额定电压通流容量：>实际的浪涌电流。压敏电阻只能用做过压保护，不能用做du/dt保护。2/4/20231293.6.3晶闸管直流侧过电压及其保护

直流侧保护可采用与交流侧保护相同的方法，阻容保护和非线性元件保护。在晶闸管两端并联阻容保护电路，抑制晶闸管关断过电压。直流侧阻容及压敏电阻保护电路2/4/2023130图3-29直流侧的过电压保护电路

2/4/2023131CR

利用电容吸收过电压。其实质就是将造成过电压的能量变成电场能量储存到电容中,然后释放到电阻中消耗掉。硒碓保护(硒整流片)CR晶闸管元件的阻容保护2/4/2023132避雷器击穿对地放电，防止雷电过电压设置Co，抑制操作开关S通、断时过电压线路上并接RC过电压缓冲器线路上并接压敏电阻RV用缓冲器抑制开关管通、断时的过电压2/4/20231333.7晶闸管的过电流保护与电压、电流上升率的限制外因：负载过载、负载短路、电源过高或过低、逆变失败等。1.过电流的产生内因：晶闸管损坏、触发电路故障等。当流过晶闸管的电流大大超过其正常工作电流时，称为过电流。2/4/2023134 晶闸管在规定的冷却条件下，通过两倍通态平均电流时，可经受的时间为0.5s；通过三倍通态平均电流时，可经受的时间为60ms；通过六倍通态平均电流时，可经受的时间为20ms；通过二十倍通态平均电流时，可经受的时间为10ms。浪涌电流ITSM2/4/2023135串接交流进线电抗或采用漏抗较大的整流变压器过电流继电器保护限流与脉冲移相保护快速熔断器保护直流快速开关保护2.保护措施2/4/2023136

交流进线电抗器L