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•本章要1.对相控触发电路的基本要求2.控制角的三种移相控制方法3.同步方式及输出4.分立元件移相触发电路5.集成化移相触发器变流电路控制框图•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。电源变流电路负载控制电路同步电路驱动电路移相控制电路同步信号相位控制信号给定信号反馈信号触发信号控制电路：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。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。DEKBC12GLFA032468GFMIAIGGFMUWPGM15GTIGTUVUG0GTIGTUABCGDIHIJ(a)(b)GDU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。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。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。GMIGIIt2t3t01t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。sAAAIItttGGM15.1~15321前沿的电流上升率大于以上，电流要求脉冲峰值在大容量晶闸管门极触发倍左右。的触发电流为强触发脉冲幅值，是为脉冲持续时间；为强脉冲宽度；为前沿时间；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。URCCu)1(00RCtCCeUuRCut则电路响应，零初始条件下的时，当)1(,_RCGGCeUUUut代入上式得：时，令)1ln(UUCRG求得：。控制角通常采用可变电阻调节为非线性关系。与，也可调节控制角压为定值时，改变电源电当；便可调节控制角为线性关系，改变电阻与为定值时，由上式可知：当UURURRUUGG,,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。UCsyuku1R2R3R1VD2VD1VA为控制电压为移相信号电压，ksyuu21111RRVVuuVksy为理想元件，且假定基极，进行比较。接于与构成一个比较器，由负；电容电压极性为左正右充电，经截止，电容时，当231,0VDRCVuuksy点输出一负脉冲。由由截止变为饱和导通，时，＝当AVuuksy10用。时刻，起到移相控制作就可以改变产生脉冲的改变应为定值。态，对应于一个稳定工作状,kkuu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。syukupuhuku1W3W2Wouhupuhupu000syusymUsymUou2：控制信号：负偏移电压：锯齿波信号kphsyphuuuuuu0,01,0oksyoksyuuuuuu2020202kkksypuuuuu处过零，则恰好在，使调整symsymsyUUu2由图知：symkksyUuuu22由上式得：的脉冲，角时，产生一对应于控制当线性控制。的输出电压的限制。但不能实现对和最小逆变角控制角的限幅，可以实现最小。通过对＝时，－；＝时，；＝时，线性变化：将随dksymkksymkkUuUuuUuuminmin200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。syusyuku1W2Wou0symUsymU2时过零。单调增加，且在在移相范围内为移相信号电压时，取2)0(costuUusysymsy202020kkkuuusymkksyUuuucos由上式得：的脉冲，对应于控制角时比较器翻转，产生一当的限制。和最小逆变角控制角的限幅，可以实现最小通过对。＝时，－；＝时，；＝时，当minmin200ksymkksymkuUuuUu时间常数有关。为非线性关系且与负载与当电流断续时，。对输出电压的线性控制为线性关系，可以实现与即，所以当电流连续时，kdkdksymdddduUuUuUUUUU00cos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。0tRC1su2su1su2suu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。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。脉冲变压器输出举例Ebu1R2R3R1VD2VD1V1C1VW2CVT2u1u1i2i1W2W：反向保护二极管；：加速电容；：限流电阻；212VDCR为磁路截面积为磁通密度；为磁路中的磁通；式中，器有如下关系：饱和导通时，脉冲变压当ABAdtdBAWdtdWudtdBAWdtdWEuV2211111电压传输到二次侧。为恒值，从而可把矩形则为常数内，磁路不饱和，则：若脉宽211udtdBdtdBAWEu决定。和变压器初级绕组内阻由电源电压，的电流，流过＝当磁路完全饱和时，减小。减小，内，磁路饱和，则若脉宽21220RVuudtdB释放。的磁场储能经续流电路关断后，脉冲变压器内1V，使脉冲变压器饱和。否则会形成剩磁累累积释放时间磁场能量’为脉冲列的周期；’满足的体积，但应使脉冲列变压器较小，有利于减小脉冲，脉冲宽度采用脉冲列触发方式时),(TT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。发射极E欧姆接触电阻B2第二基极B1第一基极EB2B1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。BBBBBBBBBBBBAUURRURRRU1211＋－UBBB1B2ARB2RB1EREIERP＋－＋－UBBB1B2ERERP＋－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。PVUpIpUvIvIE0UE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uR1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。R2R1RECEuR100uCUpUvttuR1(a)(b)＋－uC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