單正激驅動變壓器的磁通復位問題分析

1 引言

晶閘管觸發(fā)驅動電路的作用是產生符合要求的門極觸發(fā)脈沖，保證晶閘管在需要的時刻由阻斷轉為導通[1,2]。廣義上講，晶閘管觸發(fā)電路通常包括驅動電路以及對其觸發(fā)時刻進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動環(huán)節(jié)，有關相位控制電路在有關教科書中已有討論?，F(xiàn)今晶閘管主要應用于交流—直流相控整流和交流—交流相控調壓等，適用于這些應用的各種驅動觸發(fā)器都已集成化、系列化。例如目前國內生產的KJ系列和KC系列的晶閘管驅動(觸發(fā))器，都可供研制選用。

為保證晶閘管可靠觸發(fā)導通，門極的脈沖電流必須有足夠大的幅值和持續(xù)時間，以及盡可能短的電流上升時間[3]?？刂齐娐泛椭麟娐分g的隔離，通常既可以通過光耦亦可以采用脈沖變壓器來實現(xiàn)，這兩種方式各有優(yōu)缺點：光電耦合隔離時兩側的電磁干擾小，但光耦器件需要承受主電路高壓，有時還需要在SCR側有一個電源和一個脈沖放大器;采用脈沖變壓器隔離的觸發(fā)脈沖放大和驅動環(huán)節(jié)，優(yōu)點是毋需另加驅動電源，多年來一直獲得廣泛應用[4-6]。然而，其脈沖變壓器需要采取措施防止磁芯飽和。其電路拓撲結構雖然簡單，但是所涉及的電磁作用原理及磁通復位和參數設計問題，還是比較復雜的，本文就此類問題以及相關物理過程進行研究分析。

2 觸發(fā)驅動電路結構和原理

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)驅動電路，該驅動電路由V1、V2構成的脈沖放大環(huán)節(jié)和脈沖變壓器TM及附屬電路構成的脈沖輸出環(huán)節(jié)兩部分組成。當開關管V1、V2導通時，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)，通過脈沖變壓器磁耦合作用，在副邊產生電壓上正下負，經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V2關斷時，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生下正上負的自感反電勢，致使VD1導通，對原邊電流形成續(xù)流通路。同時，在副邊也產生下正上負的電壓，由于VD2反偏，所以此時TM副邊形不成電流通路。VD3的存在，使此時輸出給門極G與陰極K之間的電壓近似為零。VD3還具有防止負脈沖和其它干擾信號影響SCR工作的效果。

圖1 常見的晶閘管觸發(fā)驅動電路

VD1和R3的作用十分重要，若該支路斷開，在V2關斷時會在TM原邊形成很高的自感反電勢，導致V2過壓擊穿。VD1和R3續(xù)流支路，可以使V2在關斷瞬間的集電極電位大為降低，并且R3越小，此電壓越低。

3 寬脈沖觸發(fā)問題

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

所決定的電流變化率增加(L為變壓器勵磁電感)，由于V2管持續(xù)導通時間過長，i0會變得很大，從而將導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，根據法拉第電磁感應定律u2=N2d?/dt，副邊的感應電壓u2將難以達到寬脈沖傳輸的要求。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，遠遠達不到輸入控制信號uB1脈沖的寬度，如圖2(a)所示。

為了改變這種情況，使副邊輸出觸發(fā)脈沖的持續(xù)時間符合輸入控制信號的要求，實際當中往往采用對輸入寬脈沖信號進行高頻調制的脈沖列觸發(fā)方式，如圖2(b)所示。調制頻率一般在數kHz至數10 kHz范圍，這一方面可以減小脈沖變壓器鐵芯的體積，另一方面也有利于減小觸發(fā)驅動功率和提高觸發(fā)的可靠性。圖中輸入脈沖控制信號uB1的持續(xù)作用時間與圖(a)中相同，只是按一定占空比經過了高頻調制。在每一個窄脈沖高電平期間，V2管導通，勵磁電流的上升率為正，i0近直線上升。在V2管關斷時，由于原邊反電勢作用使u1為負壓，由VD1和R3支路為i0提供續(xù)流通路，同時，由式(1)得知其變化率為負值，i0開始下降，其下降速度決定于負壓的大小。該負壓由i0在R3上的壓降提供(也可以用齊納穩(wěn)壓二極管來代替R3，與VD1背靠背串聯(lián))。

圖2 采用脈沖變壓器隔離的兩種晶閘管觸發(fā)驅動控制方式：(a)寬脈沖觸發(fā);(b)正常脈沖列觸發(fā);

(c)磁通不能復位對脈沖列觸發(fā)的影響

4 磁通復位及波形畸變問題

若R3取值較大，反電勢作用產生的u1負值也較大，可以使i0的下降速度較快。其下降速度應保證在下一個窄脈沖到來之前，i0下降到零，從而使鐵芯磁通?減小到零，通常稱為磁通復位。圖2(b)所示，為V2管關斷時的u1負值與其導通時的u1正值相等，均等于電源電壓E2時對應的波形(此時V2管關斷時的集電極電位應比電源電壓E2高出一倍)，要求此時輸入脈沖列的占空比最大不能超過50%。圖中uGK可以理解為u2經過整流之后的波形。若R3取值較小，u1負值較小，對降低V2管所承受的集電極電壓有利，但會使i0的下降速度很慢。若脈沖列的占空比較大，在下一個窄脈沖到來時，可能i0并不能下降到零，這樣就會導致鐵芯磁通?不能復位到零，經過若干個窄脈沖作用之后，?就會越積累越大，逐漸飽和，副邊電壓u2及SCR觸發(fā)脈沖列的幅度會逐漸變小，甚至衰減到零，如圖2(c)所示?？梢奟3的取值應該合理地選擇，取值過大對磁通加快復位有利，但對V2管的耐壓要求提高。實際上VD1和R3就是為了V1、V2管由導通變?yōu)榻刂箷r，脈沖變壓器TM釋放其儲存能量而設置的。

5. 結束語

本文對采用變壓器隔離的單端正激式晶閘管驅動電路進行了分析研究，主要討論了其傳遞寬脈沖觸發(fā)存在的問題，采用高頻調制脈沖列觸發(fā)帶來的優(yōu)點，高頻調制脈沖列觸發(fā)所涉及的磁通復位、波形畸變及有關參數設計問題。

需要指出，上述有關線圈驅動及磁通復位原理的分析，在實際當中非常有用，其應用場合遠遠超出了晶閘管觸發(fā)驅動的范圍，比如各種微處理器、微計算機、PLC、變頻器等數字化控制系統(tǒng)與其外圍被控對象之間的繼電器接口，以及多種開關電源等等。

參考文獻

[1] 張加勝,張磊.電力電子技術[M].山東東營：中國石油大學出版社：107-114.

[2] 張波,張雪霽.晶閘管并聯(lián)靜動態(tài)均流原理的教學[J]. 電氣電子教學學報，2011,33(2): 105～107.

[3] 張順廷. 晶閘管調速驅動裝置故障診斷與檢修[J]. 機械制造, 2006, 44(8): 74-75.

[4] 劉覺民,付義.微機控制高頻脈沖列實現(xiàn)晶閘管“雙窄脈沖觸發(fā)”的研究與應用[J].電工電能新技術,2012,31(1):79-83.

[5] 劉勝,陳娟,李進.一種改進的數字晶閘管觸發(fā)器[J].長春工業(yè)大學學報(自然科學版),2011,32(4):375-380.

[6] 李民族,李秦偉,吳曉男.晶閘管串聯(lián)調壓電容無功補償裝置的研究[J].電力系統(tǒng)及其自動化學報，2000,12(5): 45～50.

作者簡介

張超(1983-)，男，山東籍，碩士，工程師，北京京儀椿樹整流器有限責任公司，主要從事電力電子及開關電源研發(fā)工作。