基于單正激驅(qū)動(dòng)變壓器的磁通復(fù)位問(wèn)題的研究

引言

晶閘管觸發(fā)驅(qū)動(dòng)電路的作用是產(chǎn)生符合要求的門極觸發(fā)脈沖，保證晶閘管在需要的時(shí)刻由阻斷轉(zhuǎn)為導(dǎo)通。廣義上講，晶閘管觸發(fā)電路通常包括驅(qū)動(dòng)電路以及對(duì)其觸發(fā)時(shí)刻進(jìn)行控制的相位控制電路。本文集中研究觸發(fā)脈沖的放大和輸出驅(qū)動(dòng)環(huán)節(jié)，有關(guān)相位控制電路在有關(guān)教科書中已有討論。現(xiàn)今晶閘管主要應(yīng)用于交流-直流相控整流和交流-交流相控調(diào)壓等，適用于這些應(yīng)用的各種驅(qū)動(dòng)觸發(fā)器都已集成化、系列化。例如目前國(guó)內(nèi)生產(chǎn)的KJ系列和KC系列的晶閘管驅(qū)動(dòng) (觸發(fā))器，都可供研制選用。

為保證晶閘管可靠觸發(fā)導(dǎo)通，門極的脈沖電流必須有足夠大的幅值和持續(xù)時(shí)間，以及盡可能短的電流上升時(shí)間。控制電路和主電路之間的隔離，通常既可以通過(guò)光耦亦可以采用脈沖變壓器來(lái)實(shí)現(xiàn)，這兩種方式各有優(yōu)缺點(diǎn)：光電耦合隔離時(shí)兩側(cè)的電磁干擾小，但光耦器件需要承受主電路高壓，有時(shí)還需要在SCR側(cè)有一個(gè)電源和一個(gè)脈沖放大器;采用脈沖變壓器隔離的觸發(fā)脈沖放大和驅(qū)動(dòng)環(huán)節(jié)，優(yōu)點(diǎn)是毋需另加驅(qū)動(dòng)電源，多年來(lái)一直獲得廣泛應(yīng)用。然而，其脈沖變壓器需要采取措施防止磁芯飽和。其電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)雖然簡(jiǎn)單，但是所涉及的電磁作用原理及磁通復(fù)位和參數(shù)設(shè)計(jì)問(wèn)題，還是比較復(fù)雜的，本文就此類問(wèn)題以及相關(guān)物理過(guò)程進(jìn)行研究分析。

觸發(fā)驅(qū)動(dòng)電路結(jié)構(gòu)和原理

圖1給出了基于脈沖變壓器和三極管放大器的一種常見的晶閘管觸發(fā)驅(qū)動(dòng)電路，該驅(qū)動(dòng)電路由V1、V2構(gòu)成的脈沖放大環(huán)節(jié)和脈沖變壓器TM及附屬電路構(gòu)成的脈沖輸出環(huán)節(jié)兩部分組成。當(dāng)開關(guān)管V1、V2導(dǎo)通時(shí)，電源電壓E2幾乎全部施加在脈沖變壓器的原邊繞組上(R2為限流電阻，一般取值很小)，通過(guò)脈沖變壓器磁耦合作用，在副邊產(chǎn)生電壓上正下負(fù)，經(jīng)VD2和R4(限流)作用于晶閘管的門極和陰極之間，輸出觸發(fā)脈沖，提供觸發(fā)電流。當(dāng)V2關(guān)斷時(shí)，由于TM 原邊電流的急劇減小，其di/dt0,由楞次定律決定其原邊產(chǎn)生下正上負(fù)的自感反電勢(shì)，致使VD1導(dǎo)通，對(duì)原邊電流形成續(xù)流通路。同時(shí)，在副邊也產(chǎn)生下正上負(fù)的電壓，由于VD2反偏，所以此時(shí)TM副邊形不成電流通路。VD3的存在，使此時(shí)輸出給門極G與陰極K之間的電壓近似為零。VD3還具有防止負(fù)脈沖和其它干擾信號(hào)影響SCR工作的效果。

圖1 常見的晶閘管觸發(fā)驅(qū)動(dòng)電路

VD1和R3的作用十分重要，若該支路斷開，在V2關(guān)斷時(shí)會(huì)在TM原邊形成很高的自感反電勢(shì)，導(dǎo)致V2過(guò)壓擊穿。VD1和R3續(xù)流支路，可以使V2在關(guān)斷瞬間的集電極電位大為降低，并且R3越小，此電壓越低。

寬脈沖觸發(fā)問(wèn)題

通常采用脈沖變壓器隔離的觸發(fā)驅(qū)動(dòng)電路，是難以傳遞寬觸發(fā)脈沖的。比如，圖1驅(qū)動(dòng)電路若在其V1管基極作用以如圖2(a)所示的寬脈沖信號(hào)uB1,在V2管導(dǎo)通期間，脈沖變壓器原邊電壓u1≈E2,勵(lì)磁電流i0將按照式(1) Ldi0/dt=u1 (1)

所決定的電流變化率增加(L為變壓器勵(lì)磁電感)，由于V2管持續(xù)導(dǎo)通時(shí)間過(guò)長(zhǎng)，i0會(huì)變得很大，從而將導(dǎo)致脈沖變壓器的鐵芯磁通飽和，除非鐵芯體積足夠大。在磁通飽和的情況下，根據(jù)法拉第電磁感應(yīng)定律u2=N2d/dt,副邊的感應(yīng)電壓u2將難以達(dá)到寬脈沖傳輸?shù)囊?。磁芯的截面積越小，越容易形成磁通飽和，則副邊所得到的u2電壓脈沖越窄，遠(yuǎn)遠(yuǎn)達(dá)不到輸入控制信號(hào)uB1脈沖的寬度，如圖2(a)所示。