第五章晶闸管相控触发电路1

第五章晶闸管相控触发电路1第一页，共36页。变流电路控制框图变流电路从换流方式来分，有电网换流和非电网换流之分：前者用相位控制触发电路，后者常用周期性逻辑器件控制触发电路。在实际中，对输出的控制常采用相位控制方式。控制电路：综合系统信息进行处理，产生负载所需电压的控制电压。同步电路：获得与交流电源同步的正弦交流信号,确定各元件自然换相点和移相范围驱动电路：移相脉冲信号进行整形处理,产生所需的触发脉冲信号。移相控制电路：由相位控制信号和同步信号结合，产生移相脉冲信号。同时有隔离电路：通常采用脉冲变压器，光电耦合器和光导纤维。第二页，共36页。晶闸管的门极伏安特性0HIJ0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。ADEFGCBA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。第三页，共36页。晶闸管的门极定额门极触发电流IGT：指在规定的环境温度和阳极与阴极间加一定正向电压的条件下，使晶闸管从阻断状态到导通状态所需要的最小门极直流电流，一般为几十到几百毫安。门极触发电压UGT：指与门极触发电流相对应的门极直流电压，一般为1V~5V。晶闸管的门极触发电流和触发电压受温度影响较大，元件标明的数据是在室温下测得的数据。额定结温下的门极触发电流仅为室温时的三分之一左右；零下40度低温下的门极触发电流则可达到室温时的1.5~2倍。因此，在设计触发电路时应予以注意。第四页，共36页。对相控触发电路的基本要求(1)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掣住电流，保证晶闸管可靠开通。通常晶闸管开通需要6μs以上，应有足够的裕量。在实际应用中，电阻性负载脉冲宽度应有20μs~50μs；电感性负载最好不小于100μs，一般取1ms。脉冲的前沿要尽可能陡。(3)触发脉冲应满足晶闸管电路的工作要求。对于三相桥式全控变流电路，应采用脉冲宽度大于60O的宽脉冲或双窄脉冲，也可以用脉冲列组成宽脉冲或双窄脉冲，脉冲列的频率为7kHz左右。对于并联晶闸管的大电流变流装置及串联晶闸管的高电压变流装置，应采用强触发脉冲。采用强触发脉冲的目的是：缩小晶闸管管间开通时间的差异，有利于动态均流和均压。第五页，共36页。对相控触发电路的基本要求(4)触发脉冲与主电路电源电压必须同步，并保持与工作状态相适应的相位关系。(5)触发电路应保证变流电路各元件触发脉冲的对称性。(6)相控触发电路应采取电磁兼容技术措施，防止因各方面的电磁干扰而出现失控。采用强触发脉冲的目的是：缩小晶闸管管间开通时间的差异，有利于动态均流和均压。第六页，共36页。延时移相控制方法晶闸管相控触发电路中，实现触发脉冲随控制信号变化作相位移动的控制为移相控制。

延时移相控制方法由同步环节提供自然换相点，再由自然换相点开始计时，以控制角对应的延时时间确定触发脉冲产生的时刻。第七页，共36页。垂直移相控制方法应用条件是具有一个与主电路同步、在移相范围内单调变化的周期性移相信号电压usy。第八页，共36页。线性垂直移相控制方法移相信号电压usy在移相范围内线性变化。第九页，共36页。余弦交点移相控制方法移相信号电压usy在移相范围内余弦变化。第十页，共36页。同步信号及其获得在各种相控变流电路中，晶闸管触发脉冲前沿对应的控制角α是以晶闸管的自然换相点为计量起点的角度。自然换相点则决定于加在晶闸管两端的交流电源电压。因此为保证正确的相位关系，实现同步触发控制，在触发电路中必须引入与电网电压严格同步的基准信号，称为同步信号。主电路电源电压经同步变压器降压，再经阻容移相便可获得符合相位要求的同步信号。第十一页，共36页。同步方式独立同步每个SCR都有相对独立的相控触发电路。为使各晶闸管具有相同的控制角，各相触发电路采用同一控制电压进行移相控制。按相同步利用全控桥式变流电路中同一相的两个SCR的自然换相点相差180O的特点，每相设置一个触发电路。为实现三相主电路工作的对称性，要求三相移相控制的一致性，故三相触发电路由同一个控制电压控制。单相同步利用各SCR自然换相点间有固定的相位关系特点，用一个元件的同步电路准确提供各元件的自然换相点。第十二页，共36页。触发脉冲的功率放大和输出触发电路一般是由相对独立的低压直流电源供电的单元，为保证触发电路工作安全，应使其与主电路隔离，这样可减少主电路对触发电路及控制电路的干扰，提高可靠性。隔离电路：通常采用脉冲变压器，光电耦合器和光导纤维。其中脉冲变压器方式应用得最多。第十三页，共36页。脉冲变压器输出举例第十四页，共36页。单结晶体管的结构单结晶体管也称为双基极二极管，它有一个发射极和两个基极,外形和普通三极管相似。单结晶体管的结构是在一块高电阻率的N型半导体基片上引出两个欧姆接触的电极：第一基极B1和第二基极B2；在两个基极间靠近B2处，用合金法或扩散法渗入P型杂质，引出发射极E。单结晶体管共有上述三个电极，其结构示意图和电气符号如图所示。B2、B1间加入正向电压后，发射极E、基极B1间呈高阻特性。但是当E的电位达到B2、B1间电压的某一比值（例如59%）时，E、B1间立刻变成低电阻，这是单结晶体管最基本的特点。第十五页，共36页。单结晶体管的结构将单结晶体管等效成一个二极管和两个电阻RB1、RB2组成的等效电路，那么当基极上加电压UBB时，RB1上分得的电压为式中，η为分压比，是单结晶体管的主要参数，η一般为0.5～0.9。第十六页，共36页。单结晶体管的伏安特性调节RP，使UE从零逐渐增加。当UE＜ηUBB时，单结晶体管PN结处于反向偏置状态，只有很小的反向漏电流。当发射极电位UE比ηUBB高出一个二极管的管压降UVD时，单结晶体管开始导通，这个电压称为峰点电压Up，故Up=ηUBB+UVD,此时的发射极电流称为峰点电流Ip,Ip是单结晶体管导通所需的最小电流。

当IE增大至一定程度时，载流子的浓度使注入空穴遇到阻力，即电压下降到最低点，这一现象称为饱和。欲使IE继续增大，必须增大电压UE。由负阻区转化到饱和区的转折点V称为谷点。与谷点对应的电压和电流分别称为谷点电压Uv和谷点电流Iv。谷点电压是维持单结晶体管导通的最小电压，一旦UE小于Uv，则单结晶体管将由导通转化为截止。第十七页，共36页。单结晶体管的张弛振荡电路设电源未接通时，电容C上的电压为零。电源接通后，C经电阻RE充电，电容两端的电压uC逐渐升高，当uC达到单结晶体管的峰点电压Up时，单结晶体管导通，电容经单结晶体管的发射极、电阻RB1向电阻R1放电,在R1上输出一个脉冲电压。当电容放电至uC=Uv并趋向更低时，单结晶体管截止，R1上的脉冲电压结束。之后电容从Uv值又开始充电，充电到Up时，单结晶体管又导通，此过程一直重复下去，在R1上就得到一系列的脉冲电压。由于C的放电时间常数τ1=（R1+RB1）C,远小于充电时间常数τ2=REC，故脉冲电压为锯齿波。uC和u

R1的波形如图所示。改变RE的大小，可改变C的充电速度，从而改变电路的自振荡频率。第十八页，共36页。单结晶体管的张弛振荡电路应该注意，当RE的值太大或太小时，不能使电路振荡。当RE太大时，较小的发射极电流IE能在RE上产生大的压降，使电容两端的电压uC升不到峰点电压Up，单结晶体管就不能工作到负阻区。当RE太小时，单结晶体管导通后的IE将一直大于Iv，单结晶体管不能关断。RE的值应满足下列条件如忽略电容的放电时间，上述电路的自振荡频率近似为电阻R2的作用是温度补偿。无电阻R2时，若温度升高，则二极管的正向电压降UD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。有电阻R2时，若温度升高，则电阻RBB增加，导致基极电流IBB下降，UR2下降，进而使UBB增加。这样，虽然二极管的正向压降UD随温度升高而下降，但管子的峰点电压Up=ηUBB+UD仍基本维持不变，保证振荡频率f基本稳定。通常R2取200～600Ω。电容C的大小由脉冲宽度和RE的大小决定，通常取0.1～1μF。第十九页，共36页。单结晶体管触发电路举例本电路用于单相整流电路。同步电压与主电路电源电压同相位。电路可分为电源与同步环节、恒流源充电环节、脉冲形成环节（即单结晶体管张弛振荡器）和脉冲输出环节。~60V电压既作为同步电压，又作为整个电路的电源电压。由于电路的性质，最小α角受到限制。第二十页，共36页。单结晶体管触发电路举例电源与同步环节由VD1、R1、VST1、VST2构成。同步电压经VD1半波整流后，只有正半周。这半个周期的正弦电压经R1、VST1、VST2稳压后变成梯形波电压。由于同步电压幅值较大，而稳压管的稳压值相对较小，所以可以认为是在自然换相点处给电路加上电源。（单相整流电路的自然换相点在ωt=0处。）恒流源充电环节由R2、VST3、C1、RP1、VT1、R3、R6、VT2、R4构成。梯形波电压经R2、VST3、C1再次稳压并滤波，可以认为是一个稳定的电压信号。此电压信号经RP1取样后加在VT1的基极，经VT1放大后加在VT2的基极上，所以可以认为VT2的基极电位是恒定的。此恒定电位经VT2在R4上产生恒流，此恒流即是给C2充电的电流。调整RP1可改变VT1的基极信号，即改变了充电电流。脉冲形成环节由C2、VT3、R5构成。给C2充电电流的大小决定了C2上电压充至VT3峰点电压的时间，也就决定了脉冲出现的时间，也就决定了α角的大小。一旦C2上电压到达峰点电压，VT3进入负阻区，有电流输出产生触发信号，同时C2上电压也经VT3放掉。脉冲输出环节由VD2、T、VD3、VD4构成。脉冲变压器T起信号隔离作用，VD2提供续流回路，VD3、VD4防止信号反向。第二十一页，共36页。正弦波同步移相触发电路举例第二十二页，共36页。正弦波同步移相触发电路举例用于三相半波可控整流电路的触发，每相有一个相同的触发电路，不同的是同步电压相位不同。若将脉冲宽度调至100O，也可用于三相桥式以下假设本电路为a相的触发电路，同步电压UT比Ua滞后π/6。电路可分为同步环节、移相控制环节、脉冲形成环节、脉冲放大与输出环节。同步环节由R11、C8构成。由于R11为10K，C8为3μF，所以C8的阻抗比R11小的多。同步电压经R11、C8构成的低通滤波器后相位滞后约π/2（84度），同时幅值也衰减约1/10。取这个电压为移相信号电压（实际上只用这个信号的从副峰值到正峰值这一段）。移相控制环节由R3、RP1、RP2、R4、R5、VT1、R6构成。从RP1上得到的信号为控制电压Uct(Uk)，从RP2上得到的信号为偏移电压Ub(Up)。由于R3=R4=R5，所以移相信号电压、偏移电压、控制电压三个信号在VT1的基极相加，三个信号之和大于0（大于0.7V）时VT1导通，即为触发脉冲的前沿。在此环节中，我们注意到偏移电压为负，电路工作之前，先将控制电压调到0（调RP1），然后然后调偏移电压使输出端恰好有脉冲输出，就是说移相信号与偏移电压之和的正峰值刚刚大于0，对应于α=π。再加上控制电压就可以将α角向前移动。第二十三页，共36页。正弦波同步移相触发电路举例脉冲形成环节主要由C5、VT2、C7、RP3构成。当VT1截止时，C5上充有左正右负的电压，VT2的基极通过R7接正电源，所以VT2导通，VT2的集电极为低电平，VT3截止，无脉冲输出，且C7上充有左负右正的电压。当VT1由截止变为导通时，将C5的左侧拉至地电位，由于C5上电压不能突变，所以将VT2的基极拉至负电位，VT2迅速截止，VT3导通，有脉冲输出。VT3导通后，将C7右侧拉至地电位，C7上电压不能突变，所以C7上的电压将维持VT2的基极为负电位，电源通过R7、C7、RP3、VT3这个路径给C7充电，直至VT2的基极电位达到足以导通的程度，这个充电过程就是VT2截止、VT3导通的过程，就是有脉冲输出的过程，也就是触发脉冲的宽度，调节RP3就可以调节脉冲宽度。脉冲放大与输出环节主要由VT3、脉冲变压器T等组成，作用不再重复。第二十四页，共36页。锯齿波同步移相触发电路举例第二十五页，共36页。锯齿波同步移相触发电路举例本电路可用于三相全控桥式整流电路，具有双窄脉冲输出功能。若本电路用于a相共阴极元件VT1，则同步电压UT与ua反相。电路可分为同步环节、锯齿波形成环节、移相控制环节、脉冲形成与放大环节、脉冲输出环节。同步环节由VD1、C5、R3、VD2、VT2构成。由于VD1的作用，当同步电压UT过0变负（严格地说应是小于1.4V）时，C5上的电压跟随UT变化，也就是说开始小于0（1.4V），VT2截止，锯齿波开始形成。当UT达到反向峰值时，C5上的电压不再跟随UT变化而是由R3、C5的充电时间常数决定，这个时间常数较大，所以C5上电压变化至过0变正（严格地说应是大于1.4V）的时刻要晚于UT。当C5上过0变正（严格地说应是大于1.4V）时，VT2导通，锯齿波结束。可以看出，锯齿波的宽度大于π。锯齿波形成环节由VST1、VT1、RP3、C6、VT3等构成。其中VST1、RP3、VT1等构成恒流源，用于给C6充电，其恒流值可调节RP3来改变。当VT2由导通变为截止时，C6恒流充电，C6上电压线性增长，形成锯齿波。当VT2由截止变为导通时，C6通过VT2放电。VT3接成射及跟随器，将锯齿波信号功率放大，即为移相信号。第二十六页，共36页。锯齿波同步移相触发电路举例移相控制环节由RP1、RP2、R8、R9、R10、VT4构成。从RP1上得到的电压信号为控制电压Uct、从RP2上得到的电压为偏移电压Ub。由于R8=R9=R10，所以移相信号与Ub、Uct在在VT4的基极求和。当三个电压信号的和大于0（0.7V）时，VT4导通，即为触发脉冲的前沿。改变控制电压Uct，即可改变脉冲前沿的时刻，即改变α角。脉冲形成与放大环节由C7、R12、VT5、VT6等构成。VT5的基极通过R12接正电源，当VT4截止时，VT5导通，C7上充有左正右负的电压，VT5的集电极为低电平，VT6截止，无脉冲输出。当VT4由截止变为导通的时刻，由于C7上电压不能突变，所以将VT5的基极电位拉低，VT5截止，VT6导通，有触发脉冲输出。这时通过R12、C7、VT4这个路径给C7充电，VT5的基极电位上升，直至VT5导通，这个过程就是脉冲输出的过程，也是触发脉冲的宽度，由R12、C7的充电时间常数决定。脉冲输出环节由VD10、变压器T等构成，其功能与前面类似，不同的是变压器的副边有两个互不相连的线圈，可以输出两个脉冲。第二十七页，共36页。集成触发器举例KCO4KC系列集成触发器品种多，功能全，可靠性高，调试方便，应用非常广泛。KC04移相触发器主要为单相或三相全控桥式晶闸管整流电路作触发电路，其主要技术参数有：电源电压：DC±15V（允许波动5%）；电源电流：正电流小于等于15mA，负电流小于等于8mA；脉冲宽度：400μs～2ms；脉冲幅值；大于等于13V；移相范围：小于180°（同步电压uV=30V时，为150°）输出最大电流：100mA；环境温度：-10～70℃。第二十八页，共36页。集成触发器KCO4电路原理图第二十九页，共36页。KCO4工作原理1．同步电路同步电路由晶体管V1～V4等元件组成。正弦波同步电压uV经限流电阻加到V1、V2的基极。在uV正半周，V2截止，V1导通，VD1导通，V4得不到足够的基极电压而截止。在uV的负半周，V1截止，V2、V3导通，VD2导通，V4同样得不到足够的基极电压而截止。必须注意的是，在上述uV的正、负半周内，当|uV|＜0.7V时，V1、V2、V3均截止，VD1、VD2也截止，于是V4从电源+15V经R3、R4获得足够的基极电流而饱和导通，在V4的集电极获得与正弦波同步电压uV同步的脉冲uc4，即uc4与uV的变化频率相同。显然uV过0时为自然换相点，所以uV应滞后主电路电压π/6。

2．锯齿波形成电路三极管V5、电容C1等组成锯齿波发生器。当V4截止时，+15V电源通过R6、R22、RW、-15V对C1充电。当V4导通时，C1通过V4、VD3迅速放电，在KC04的第④脚（也就是V5的集电极）形成锯齿波电压uc5，锯齿波的斜率取决于R22、RW与C1的大小，锯齿波的相位与uc4相同。第三十页，共36页。KCO4工作原理3．移相电路晶体管V6与外围元件组成移相电路。锯齿波电压uc5、控制电压UK、偏移电压UP分别通过电阻R24、R23、R25在V6的基极叠加成ube6，当ube6＞0.7V时，V6导通，即uc5＋UP＋UK控制了V6的导通与截止时刻。由波形图可以看出，锯齿波与ωt轴的交点就是脉冲产生的时刻，如ub6波形所示。这个交点的左移或右移可由控制电压UK来确定。当UK增加时，交点左移，脉冲左移，控制角α减小；当UK减小时，交点右移，脉冲也右移，控制角α增大，这样就控制了脉冲的移相。偏移电压UP的作用是当控制电压UK为零时，可用UP来确定脉冲的起始位置。

4．脉冲形成电路V7与外围元件组成脉冲形成电路。当V6截止时，＋15V电源通过R7、V7的b-e结