电力电子技术-第3章门极触发电路.

1第3章门极触发电路3.1概述3.2晶体管触发电路3.3集成触发器3.4触发器的定相23.1.1门极触发信号的种类1）直流信号损耗增加2）交流信号温度变化和交流电压幅值变化时，延迟角不稳定3）脉冲信号便于控制脉冲的出现时刻，降低门极损耗。实现信号的同步传输。3.1门极电路的驱动控制·引言33.1.2晶闸管对触发电路的要求1.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。2.触发脉冲应满足要求的移相范围240°-300°。3．触发脉冲与晶闸管主电路电源必须同步。4．触发脉冲的应有足够的宽度，脉冲前沿陡度应大于1A/us。5．为满足三相全控桥的要求，触发电路应能输出双窄脉冲或宽脉冲。6．为满足反并联可逆电路的要求，触发电路应有αmin、βmin限制。4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。采用晶闸管相控方式时的交流电力变换电路和交交变频电路（第4章）。相控电路的驱动控制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。晶闸管相控电路，习惯称为触发电路。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。53.2同步信号为锯齿波的触发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。三个基本环节：脉冲的形成与放大、锯齿波的形成和脉冲移相、同步环节。此外，还有强触发和双窄脉冲形成环节。6图3-1同步信号为锯齿波的触发电路73.2同步信号为锯齿波的触发电路1)脉冲形成环节V4、V5—脉冲形成V7、V8—脉冲放大控制电压uco加在V4基极上图3-2同步信号为锯齿波的触发电路220V36V+BTP+15VAVS+15V-15V-15VXY接封锁信号RQutsVD1VD2C1R2R4TSV2R5R8R6R7R3R9R10R11R12R13R14R16R15R18R17RP1ucoupC2C3C3C5C6C7R1RP2V1I1cV3V4V6V5V7V8VD4VD10VD5VD6VD7VD9VD8VD15VD11~VD14脉冲前沿由V4导通时刻确定，脉冲宽度与反向充电回路时间常数R11C3有关。电路的触发脉冲由脉冲变压器TP二次侧输出，其一次绕组接在V8集电极电路中。8当V4的基极电压uco=0时，V4截止。+E1电源通过R11提供给V5一个足够大的基极电流，使V5饱和导通。所以V5集电极电压接近于-E1，V7、V8处于截止状态，无脉冲输出。电源+E1经R9、V5的发射极到-E1对电容C3充电，充满后电容两端电压接近2E1，极性如图所示。当uco≥0.7V时，V4导通。A点电位从+E1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-2E1，V5基射极反偏置，V5立即截止。它的集电极电压由-E1迅速上升到钳位电压2.1V时，使得V7、V8导通，输出触发脉冲。同时电容C3由+E1经R11、VD4、V4放电并反向充电，使V5基极电位逐渐上升。直到V5基极电位ub5-E1，V5又重新导通。这时V5集电极电压又立即降到-E1，使V7、V8截止，输出脉冲终止。可见，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R11C3决定。92)锯齿波的形成和脉冲移相环节锯齿波电压形成的方案较多，如采用自举式电路、恒流源电路等；本电路采用恒流源电路。恒流源电路方案，由V1、V2、V3和C2等元件组成V1、VS、RP2和R3为一恒流源电路图3-2同步信号为锯齿波的触发电路10当V2截止时，恒流源电流I1C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RP2，可以改变C2的恒定充电电流I1C。当V2导通时，因R4很小所以C2迅速放电，使得ub3电位迅速降到零伏附近。当V2周期性地导通和关断时，ub3便形成一锯齿波。射极跟随器V3的作用是减小控制回路电流对锯齿波电压ub3的影响。V4基极电位由锯齿波电压、控制电压uco、直流偏移电压up三者叠加所定,它们分别通过电阻R6、R7、R8与V4基极连接。tICdtIuC1C1c111根据叠加原理，先设uh为锯齿波电压ue3单独作用在基极时的电压，其值为所以uh仍为锯齿波，但斜率比ue3低。同理，直流偏移电压up单独作用在V4基极时的电压为控制电压uco单独作用在V4基极时的电压为：所以，仍为一条与up平行的直线，但绝对值比up小；仍为一条与uco平行的直线，但绝对值比uco小。)//(//87687e3hRRRRRuu)//(//76876p'pRRRRRuu)//(//86786c0'c0RRRRRuu'pu'c0u'pu'c0u12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uco便可以改变脉冲产生时刻，脉冲被移相。加up的目的是为了确定控制电压uco=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uco=0时，调节up的大小使产生脉冲的M点对应α=90的位置。当uco为0，α=90，则输出电压为0；如uco为正值，M点就向前移，控制角α90，处于整流工作状态；如uco为负值，M点就向后移，控制角α90，处于逆变状态。'co'phuuu133)同步环节同步——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。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。14同步环节是由同步变压器TS、VD1、VD2、C1、R1和晶体管V2组成。同步变压器和整流变压器接在同一电源上，用同步变压器的二次电压来控制V2的通断作用，这就保证了触发脉冲与主电路电源同步。15与主电路同步是指要求锯齿波的频率与主电路电源的频率相同且相位关系确定。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，R点为负电位，VD1导通，电容C1被迅速充电。Q点电位与R点相近，故在这一阶段V2基极为反向偏置，V2截止。在负半周的上升段，+E1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。16同步信号为锯齿波的触发电路的工作波形173.2同步信号为锯齿波的触发电路4)双窄脉冲形成环节内双脉冲电路V5、V6构成“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uco对应的控制角a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）。三相桥式全控整流电路的情况(自学)18触发电路自身在一个周期内可输出两个间隔60°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。因此本电路可以产生符合要求的双脉冲。第一个脉冲由本相触发单元的uco对应的控制角α使V4由截止变导通造成V5瞬时截止，使得V8输出脉冲。隔60°的第二个脉冲是由后一相触发单元通过连接到引脚Y使本单元V6截止，使本触发电路第二次输出触发脉冲。其中VD4和R17的作用主要是防止双脉冲信号相互干扰。195强触发环节36V交流电压经整流、滤波后得到50V直流电压，经R15对C6充电，B点电位为50V。当V8导通时，C6经脉冲变压器一次侧R16、V8迅速放电，形成脉冲尖峰，由于有R15的电阻，且电容C6的存储能量有限，B点电位迅速下降。当B点电位下降到14.3V时，VD15导通，B点电位被15V电源钳位在14.3V，形成脉冲平台。206脉冲封锁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。213.3集成触发器可靠性高，技术性能好，体积小，功耗低，调试方便。晶闸管触发电路的集成化已逐渐普及，已逐步取代分立式电路。KJ004与分立元件的锯齿波移相触发电路相似,分为同步、锯齿波形成、移相、脉冲形成、脉冲分选及脉冲放大几个环节。22图3-4KJ004电路原理图1112161151413943578R23+15V+15V+15VRP1R24R2R20RP4R5R1R3R4R6R7R8R12R10R11R14R19R13R25R26R27R28R20R22R16R17R21R18R15V3V2V1V18V19V20V4V5V6V12V13V14V15V16V9V10V11V8V7V17VS5VS1VS2VS3VS4VS6VS7VS8VS9VD1VD2VD3VD4VD5VD6VD7C1C2ubucous23完整的三相全控桥触发电路3个KJ004集成块和1个KJ041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。usa1234567111091413128161512345671110914131281615KJ004KJ004-15V+15V12345671110914131281615KJ004RP6RP3(1~6脚为6路单脉冲输入)12345671110914131281615KJ041(15~10脚为6路双脉冲输出)至VT1usbuscupucoR19R13R20R14R21R15R9R3R6R18R8R2R5R17R7R1R4R16R10R11R12C7C4C1C8C5C2C9C6C3RP4RP1RP5RP2至VT2至VT3至VT4至VT5至VT6图3-5三相全控桥整流电路的集成触发电路24模拟与数字触发电路以上触发电路为模拟的，优点：结构简单、可靠；缺点：易受电网电压影响，触发脉冲不对称度较高，可达3~4，精度低。数字触发电路：脉冲对称度很好，如基于8位单片机的数字触发器精度可达0.7~1.5。KJ041内部是由12个二极管构成的6个或门。也有厂家生产了将图3-5全部电路集成的集成块，但目前应用还不多。253.4触发电路的定相触发电路的定相——触发电路应保证每个晶闸管触发脉冲与施加于晶闸管的交流电压保持固定、正确的相位关系。措施：同步变压器原边接入为主电路供电的电网，保证频率一致。触发电路定相的关键是确定同步信号与晶闸管阳极电压的关系。图3-6三相全控桥中同步电压与主电路电压关系示意图Ott1t2uaubucu2ua-26变压器接法：主电路整流变压器为D,y-11联结，同步变压器为D,y-11,5联结。D,y11D,y5-11TRTSuAuBuCuaubuc-usa-usb-usc-usa-usb-uscUcUsc-UsaUbUsb-Usc-UsbUaUsaUAB图3-7同步变压器和整流变压器的接法及矢量图27表3-1三相全控桥各晶闸管的同步电压（采用图3-7变压器接法时）晶闸管VT1VT2VT3VT4VT5VT6主电路电压+ua-uc+ub-ua+uc-ub同步电压-usa+usc-usb+usa-usc+usb为防止电网电压波形畸变对触发电路产生干扰，可对同步电压进行R-C滤波，当R-C滤波器滞后角为60时，同步电压选取结果如表3-2所示。表