一種大功率相控整流觸發(fā)電路

胡青長(zhǎng)

(維蒙特工業(yè)(中國(guó))有限公司，上海 200122)

一種大功率相控整流觸發(fā)電路

胡青長(zhǎng)

(維蒙特工業(yè)(中國(guó))有限公司，上海 200122)

分析了一種以PUT(程控單結(jié)晶體管)為核心的新型晶閘管相控整流觸發(fā)電路的工作原理，該觸發(fā)電路適用于六相半波整流，提高了變壓器的使用效率。詳細(xì)說(shuō)明了其與傳統(tǒng)單結(jié)晶體管觸發(fā)電路相比的優(yōu)點(diǎn)以及與數(shù)字集成觸發(fā)電路相比的經(jīng)濟(jì)性。采用此種觸發(fā)電路具有性能可靠、電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、性?xún)r(jià)比高的優(yōu)點(diǎn)，特別適宜于低電壓、大電流的工作場(chǎng)合，如電鍍電解和大功率弧焊電源。

晶閘管觸發(fā)電路；程控單結(jié)晶體管；電路分析

0 前言

在電力電子技術(shù)中，幾乎所有的電力電子裝置都需應(yīng)用整流電路，故AC／DC變換電路始終是人們關(guān)注和研究的重點(diǎn)。自半導(dǎo)體材料發(fā)明以來(lái)，人們就致力于利用半導(dǎo)體二極管的單向?qū)щ娦詠?lái)實(shí)現(xiàn)AC／DC的變換，但是由于二極管的不可控性，使其應(yīng)用受到限制。

目前在電力電子整流電路中應(yīng)用最多的是利用可控整流器件來(lái)實(shí)現(xiàn)可控整流。而其中由晶閘管VT構(gòu)成的相控整流電路是實(shí)際工業(yè)設(shè)備中應(yīng)用最為廣泛的。由于晶閘管不具備自關(guān)斷性，所以為了實(shí)現(xiàn)大功率、高可靠的可控整流，晶閘管的觸發(fā)電路就至關(guān)重要。在此討論的是一種性能穩(wěn)定、生產(chǎn)成本較低的以程控單結(jié)晶體管PUT為核心的六相半波晶閘管相控整流觸發(fā)電路。

1 電路原理

晶閘管相控整流式電源系統(tǒng)如圖1所示，它是利用正常的漏磁降壓變壓器電壓，然后再采用晶閘管整流將交流電變成直流電。

圖1 晶閘管相控整流電源系統(tǒng)框圖

晶閘管觸發(fā)電路在可控整流電路中的作用是向晶閘管提供門(mén)極電壓和電流，使晶閘管在需要導(dǎo)通的時(shí)候?qū)?，并根?jù)控制要求決定晶閘管的導(dǎo)通時(shí)刻，對(duì)電源的輸出電壓、電流進(jìn)行控制。觸發(fā)電路就是通過(guò)輸出觸發(fā)信號(hào)來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)晶閘管的控制，其電路原理如圖2所示。

圖2 觸發(fā)電路作用示意

在大功率相控整流電路中，由于三相半波可控整流的變壓器流過(guò)直流易使鐵心飽和，變壓器效率差。如果變壓器二次側(cè)有兩組三相繞組，一組為a1，b1，c1；另一組為a2，b2，c2；且兩組三相電壓相等，但極性相反，它們分別供給同一個(gè)負(fù)載，則分別構(gòu)成兩個(gè)三相半波可控整流電路即形成六相半波可控整流電路。由于這個(gè)電路使用同一個(gè)變壓器，提高了變壓器的使用效率，克服了三相半波整流電路變壓器流過(guò)直流的缺點(diǎn)。其整流波形與三相橋式全控整流相似，輸出電壓每周期有六個(gè)波峰，脈動(dòng)較小。但六相半波可控整流電路的觸發(fā)電路較為簡(jiǎn)單，每個(gè)晶閘管在一個(gè)周期內(nèi)最多只導(dǎo)通60°；而三相橋式全控整流為120°，觸發(fā)電路復(fù)雜，增加了調(diào)試與維修的難度。另外由于六相半波可控整流電路的晶閘管和變壓器的負(fù)載率相對(duì)三相橋式全控整流較低，故特別適合用于大功率的可控整流電路。六相半波整流電路的原理如圖3所示。

六個(gè)晶閘管VT1～VT6如圖3a所示；各相電壓波形如圖3c所示。顯然相電壓Ua1的相角60°處是六相半波可控整流電路的自然換相點(diǎn)，即此時(shí)α＝0°。在0°≤α≤60°時(shí)輸出波形連續(xù)，且有Ud＝1.35U2cosα；在60°＜α?xí)r輸出波形不連續(xù)，且有Ud＝1.35U2cos[1+ (60°+α)]。

可見(jiàn)其輸出電壓的平均值Ud隨α的增大而減小，當(dāng)α＝120°時(shí)Ud＝0，即六相半波純阻性負(fù)載的理論移相范圍為120°，但實(shí)際應(yīng)用中如有大電感負(fù)載時(shí)，當(dāng)α＝90°時(shí)Ud＝0，即移相范圍變?yōu)?0°。由于六相半波可控整流電路的特點(diǎn)，故其特別適合用于低電壓、大電流場(chǎng)合，如電解、電鍍加工以及大功率弧焊電源。

2 電路原理和過(guò)程分析

以PUT(程控單結(jié)晶體管)為核心的六相半波同步觸發(fā)電路如圖4所示。

該電路是對(duì)六相中的正反兩相的觸發(fā)控制，其余兩組正反兩相的觸發(fā)控制是相同的，故只需分析其中一組即可。

該觸發(fā)電路的特點(diǎn)如下：

(1)在同步信號(hào)輸入端的電壓為76 V AC，在輸入端并聯(lián)一壓敏電阻RV，對(duì)觸發(fā)電路進(jìn)行過(guò)電壓保護(hù)，也就是對(duì)VT1、VT2進(jìn)行過(guò)電壓保護(hù)。

(2)同步信號(hào)引入后由VLD1發(fā)光二極管對(duì)其進(jìn)行顯示，如因某種原因造成整流輸出不穩(wěn)定，就可以快速查找故障原因以便及時(shí)排除。

(3)VD1、VD2、VD3、VD5構(gòu)成VT1、VT2的回路，在VT1、VT2觸發(fā)導(dǎo)通后給主回路的大功率VT提供足夠功率的觸發(fā)脈沖，VD1、VD5起半波整流作用，其型號(hào)是IN4007普通整流二極管。

(4)VD1、VD2與VD4、VD5構(gòu)成PUT的陽(yáng)極-陰極回路，將同步電壓信號(hào)加在PUT的陽(yáng)極上，以形成使PUT張弛振蕩所需的峰點(diǎn)電壓Up，如圖5所示。

(5)R4、C1和R5、C2是對(duì)VT1、VT2的阻容串聯(lián)保護(hù)，進(jìn)一步對(duì)VT1、VT2進(jìn)行過(guò)電壓保護(hù)。

(6)R6與VS1構(gòu)成PUT張弛振蕩所需的梯形波電壓UB(見(jiàn)圖6)；其中R6＝1.5 kΩ，VS1齊納穩(wěn)壓二極管起削波作用，其型號(hào)是IN4747A，穩(wěn)壓值為20 V。

(7)R7、R8構(gòu)成PUT的分流回路，以保證PUT的負(fù)載電流小于PUT谷點(diǎn)所對(duì)應(yīng)的陽(yáng)極電流Iv，確保PUT工作在振蕩狀態(tài)。

(8)由于PUT本身的參數(shù)存在分散性，即使它們的型號(hào)相同，參數(shù)也不盡相同，為避免由于各組晶閘管的導(dǎo)通角不同造成的三相不平衡，需要調(diào)整電路參數(shù)，圖中的RP*電位器就是用來(lái)彌補(bǔ)PUT之間參數(shù)的不一致，調(diào)節(jié)此電位器可使三組(六套)輸出脈沖對(duì)稱(chēng)。

(9)PUT張弛振蕩及脈沖輸出。

根據(jù)圖5、圖6可知，在C3剛開(kāi)始充電時(shí)，由于C3的電位低，VD8導(dǎo)通，來(lái)自R6的電流經(jīng)RP*及R7同時(shí)對(duì)C3進(jìn)行充電，使C3在充電初期電位上升較快，隨著C3電位的上升VD8反偏，僅有RP*對(duì)C3進(jìn)行充電，故上升較慢。

當(dāng)C3上的電壓達(dá)到Up(PUT的峰點(diǎn)電壓)后，由圖5可知，PUT即進(jìn)入負(fù)阻區(qū)，并在R11上形成一脈沖電壓Ug。

由于Uk是外加控制移相電壓，而只要Up比Uk高出一個(gè)二極管的正向電壓就可通過(guò)C3經(jīng)PUT的突然導(dǎo)通而放電，輸出一脈沖電壓。

故只要改變Uk外加控制移相電壓，則使PUT進(jìn)入負(fù)阻區(qū)的電容C3的充電電壓相應(yīng)改變，根據(jù)電容充電的V-t曲線(xiàn)可知：

式中 Uc為C3上的充電電壓。

由于UB，k，τ為常數(shù)，所以當(dāng)Uc高時(shí)所需的充電時(shí)間就長(zhǎng)一些，反之則短一些，這樣通過(guò)選擇不同參數(shù)的RP*、R7、R8、C3；在最小Uk確定后就能得到不同的最小脈沖產(chǎn)生時(shí)間t0。通過(guò)Uk外加控制移相電壓的變化，就可使初始脈沖在t0后的某一時(shí)刻形成，從而觸發(fā)VT1、VT2，而后又通過(guò)VT1、VT2對(duì)此觸發(fā)信號(hào)進(jìn)行功率放大，形成大功率的觸發(fā)信號(hào)觸發(fā)主電路的晶閘管，最終實(shí)現(xiàn)對(duì)主電路的晶閘管的移相控制。這樣一旦電路參數(shù)確定后，Uk越高，則α就越大，也即輸出越小，Uk一般取15～25 V。

另外VD7在正常情況下截止，如一旦因某種原因突然斷電，則VD7由截止變成導(dǎo)通，使C3內(nèi)的充電電荷快速通過(guò)VD7、R7、R8進(jìn)行釋放，保護(hù)PUT。

(10)該電路采用PUT代替?zhèn)鹘y(tǒng)的UJT觸發(fā)電路。

由于PUT比傳統(tǒng)的UJT靈敏度高，而UJT的正向壓降較高(PUT的動(dòng)態(tài)電阻一般為UJT的1／10，僅為2Ω)，故UJT的能耗高，相應(yīng)結(jié)溫也高，所以PUT比傳統(tǒng)的UJT更安全可靠。UJT的分壓比η和峰點(diǎn)電壓不能自由調(diào)節(jié)，故由其構(gòu)成的觸發(fā)電路一般都需經(jīng)過(guò)在三極管基極加上輸入控制電壓信號(hào)進(jìn)行移相；不能像PUT那樣直接在控制極加一控制電壓，所以PUT觸發(fā)電路更加簡(jiǎn)單可靠；PUT的移相范圍容易調(diào)節(jié)，不會(huì)出現(xiàn)傳統(tǒng)UJT觸發(fā)電路中由于移相使晶閘管達(dá)到某一導(dǎo)通角后，再調(diào)大導(dǎo)通角時(shí)使UJT產(chǎn)生張弛振蕩的電容充不上電而關(guān)斷。

(11)該電路采用VT1、VT2對(duì)由PUT產(chǎn)生的觸發(fā)脈沖進(jìn)行功率放大，取代了傳統(tǒng)脈沖變壓器功放輸出。避免了在變壓器上形成的反電動(dòng)勢(shì)和磁飽和問(wèn)題，且與傳統(tǒng)的脈沖變壓器相比成本低、體積小、易于在電路板上安裝。該電路采用的VT1、VT2是小功率晶閘管，型號(hào)為T(mén)106D1。

由于觸發(fā)電路中的R20、R21僅為5Ω，故VT1、VT2的輸出極與主電路的晶閘管之間不存在不等電位問(wèn)題，因此采用了脈沖信號(hào)經(jīng)小功率晶閘管功放后直接輸出到主電路的晶閘管，使該電路結(jié)構(gòu)更加簡(jiǎn)單、可靠。

主電路采用的晶閘管是采用KTA平板式(半凸型)金屬殼封裝的大功率晶閘管，其正向額定電流470 A，正向阻斷峰值電壓300 V，該晶閘管適宜于低電壓、大電流的工作場(chǎng)合。

(12)電路中的R16與發(fā)光二極管VLD2共同構(gòu)成觸發(fā)信號(hào)輸出顯示電路，一旦該觸發(fā)電路正常工作則VLD2燈亮，否則熄滅，以便快速排除故障。

Research on a high-power phase control trigger circuit

HU Qing-chang
(Valmont Industries(China)Ltd.，Shanghai 200122，China)

This artical make a deep analysis of a new type of SCR trigger circuit which use PUT.This trigger circuit is used for the 6 phase half wave rectifier circuit with higher efficiency.It has a simple structure but higher stablity than the traditional UJT trigger circuit.And compare with the sophisticate digital-IC trigger circuit and a low manufacture cost.In brief，this 6 phase half wave trigger circuit is very suitable for low voltage and large current output requirement such as the power source for electroplate，electrolysis and arc welding.

SCR trigger；programmable unijunction transistor；electronic circuit analyisis

TG403

A

1001-2303(2010)01-0051-04

2009-02-16；

2009-10-23

胡青長(zhǎng)(1966—)，男，上海人，學(xué)士，主要從事主要從事公司出口產(chǎn)品的安裝、售后服務(wù)及公司新產(chǎn)品的開(kāi)發(fā)工作。