單端正激式脈沖隔離驅(qū)動(dòng)電路的分析研究

張加勝，張 磊，劉希臣

(中國(guó)石油大學(xué)信息與控制工程學(xué)院，山東青島266580)

0 引言

單端正激式脈沖隔離驅(qū)動(dòng)電路，作為各類控制系統(tǒng)與被控對(duì)象之間的功率接口，有著廣泛的應(yīng)用。尤其是在單端正激式開(kāi)關(guān)電源和晶閘管觸發(fā)驅(qū)動(dòng)應(yīng)用中，通常都要求其脈沖頻率較高。兩者的差別在于，前者變壓器副邊經(jīng)二極管半波整流和濾波環(huán)節(jié)，為直流負(fù)載提供電能，其占空比需要連續(xù)可調(diào)，即采用PWM控制;而后者變壓器副邊經(jīng)二極管半波整流后為晶閘管門極提供脈沖列觸發(fā)，一般占空比固定，但需要根據(jù)晶閘管觸發(fā)及同步要求來(lái)控制脈沖列的連續(xù)作用時(shí)間。無(wú)論哪方面應(yīng)用，其單端正激式脈沖隔離電路的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和基本作用原理是相同的。本文以單端正激式脈沖隔離驅(qū)動(dòng)電路在晶閘管觸發(fā)驅(qū)動(dòng)方面的應(yīng)用為例，對(duì)有關(guān)高頻脈沖變壓器電磁作用原理及磁通復(fù)位和參數(shù)設(shè)計(jì)等問(wèn)題進(jìn)行研究分析。

晶閘管觸發(fā)驅(qū)動(dòng)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)行控制的同步移相控制電路［1，2]。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)電力電子技術(shù)的教科書(shū)中已有討論。故不復(fù)述。

為保證晶閘管可靠觸發(fā)導(dǎo)通，門極的脈沖列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?？刂齐娐泛椭麟娐分g的隔離，通常既可以通過(guò)光耦也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):光耦隔離體積小，但對(duì)光耦器件耐壓要求較高，并且往往還需要在主電路側(cè)配置有高電壓隔離的獨(dú)立直流電源和脈沖放大器;采用脈沖變壓器隔離的優(yōu)點(diǎn)是毋需另加驅(qū)動(dòng)電源，響應(yīng)速度快等。然而，對(duì)脈沖變壓器而言，既要設(shè)法提高脈沖頻率，減小磁芯體積，又要防止磁芯飽和。其單正激電路拓?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)等問(wèn)題，還是比較復(fù)雜的，在電力電子類有關(guān)教學(xué)當(dāng)中，既是重點(diǎn)又是難點(diǎn)。

1 單端正激式脈沖隔離驅(qū)動(dòng)電路

圖1給出了一種基于脈沖變壓器和三極管放大器的常見(jiàn)的單端正激晶閘管觸發(fā)驅(qū)動(dòng)電路。該驅(qū)動(dòng)電路由V1和V2構(gòu)成的脈沖放大環(huán)節(jié)，脈沖變壓器TM及附屬電路構(gòu)成。該脈沖變壓器由于工作于單端驅(qū)動(dòng)狀態(tài)，一般在磁芯設(shè)計(jì)時(shí)需要加入適當(dāng)?shù)臍庀叮詳U(kuò)大磁化曲線的線性范圍，防止飽和及減少剩磁影響。在以下分析中將忽略這些不理想因素帶來(lái)的影響［3]。

圖1 晶閘管觸發(fā)驅(qū)動(dòng)電路

當(dāng)開(kāi)關(guān)管V1和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)的輸出觸發(fā)脈沖，經(jīng)VD2和限流電阻R4作用于晶閘管的門極G和陰極K之間，提供后級(jí)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/dt＜0，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)影響后級(jí)晶閘管工作的效果。

VD1和R3的作用十分重要。若該支路斷開(kāi)，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形成的續(xù)流支路可以使V2在關(guān)斷瞬間的集電極電位大為降低。

2 采用高頻調(diào)制的寬脈沖觸發(fā)

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和勵(lì)磁電流i0滿足L(di0/dt)=u1。這里L(fēng)為脈沖變壓器勵(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［4，5]。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。

為了改變這種情況，使副邊輸出觸發(fā)脈沖的持續(xù)時(shí)間符合輸入控制信號(hào)的要求，實(shí)際中往往采用對(duì)輸入寬脈沖信號(hào)進(jìn)行高頻調(diào)制的脈沖列觸發(fā)方式，如圖2(b)所示。

圖2 兩種晶閘管觸發(fā)驅(qū)動(dòng)控制方式

圖中輸入脈沖控制信號(hào)uB1的持續(xù)作用時(shí)間與圖2(a)中相同，只是按一定占空比經(jīng)過(guò)了高頻調(diào)制。在每一個(gè)窄脈沖高電平期間，V2管導(dǎo)通，勵(lì)磁電流的上升率為正，i0近乎直線上升。在V2管關(guān)斷時(shí)，由于原邊反電勢(shì)作用使u1為負(fù)壓，由VD1和R3續(xù)流支路為i0提供通路，i0開(kāi)始下降，其下降速度決定于負(fù)壓的大小。該負(fù)壓由i0在R3上的壓降提供。在每個(gè)開(kāi)關(guān)周期中，由于變壓器鐵芯工作于磁化曲線的線性區(qū)，磁通與i0成比例地變化。

3 磁通復(fù)位及波形畸變

若R3取值較大，反電勢(shì)作用產(chǎn)生的u1負(fù)值也較大，可以使i0的下降速度較快。其下降速度應(yīng)保證在下一個(gè)窄脈沖到來(lái)之前，i0下降到零，從而使鐵芯磁通減小到零，通常稱作磁通復(fù)位［5]。

圖2(b)所示為V2管關(guān)斷時(shí)的u1負(fù)值與其導(dǎo)通時(shí)的u1正值相等，均等于電源電壓E2時(shí)對(duì)應(yīng)的波形(此時(shí)V2管關(guān)斷時(shí)的集電極電位應(yīng)比電源電壓E2高出一倍)，要求此時(shí)輸入脈沖列的占空比最大不能超過(guò)50%。比如，E2為12V，勵(lì)磁電流i0峰值I0p=10mA。若要脈沖列的占空比最大50%保證變壓器能磁通復(fù)位，則要求R3＞E2/I0p=1.2kΩ，實(shí)際取值1.5kΩ。圖中uGK可以理解為u2經(jīng)過(guò)整流之后的波形。若R3取值較小，u1負(fù)值較小，對(duì)降低V2管所承受的集電極電壓有利，但會(huì)使i0的下降速度很慢，若脈沖列的占空比較大，在下一個(gè)窄脈沖到來(lái)時(shí)，可能i0并不能下降到零，這樣就會(huì)導(dǎo)致鐵芯磁通不能復(fù)位到零。經(jīng)過(guò)若干個(gè)窄脈沖作用之后，就會(huì)越積累越大，逐漸飽和，副邊電壓u2及晶閘管觸發(fā)脈沖列的幅度會(huì)逐漸變小，甚至衰減到零，如圖3所示。

可見(jiàn)R3的取值應(yīng)該合理。取值過(guò)大對(duì)磁通加快復(fù)位有利，但對(duì)V2管的耐壓要求提高。實(shí)際上VD1和R3就是為了V1和V2管由導(dǎo)通變?yōu)榻刂箷r(shí)脈沖變壓器TM釋放其儲(chǔ)存能量而設(shè)置的。

圖3 磁通不能復(fù)位對(duì)脈沖列觸發(fā)的影響

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

對(duì)圖1所示單端正激電路，電源取12V，脈沖變壓器變比為2:1，脈沖調(diào)制頻率6.4kHz，占空比50%，輸出端接晶閘管的G-K極做驅(qū)動(dòng)負(fù)載。當(dāng)R3分別取3kΩ和20Ω時(shí)，用示波器所測(cè)得的脈沖變壓器原邊電壓和輸出電壓脈沖列波形分別如圖4所示。變壓器原邊電壓如圖上側(cè)所示，輸出電壓下側(cè)所示。

圖4R3取值不同時(shí)脈沖波形

圖4(a)表明在R3取值3kΩ時(shí)，當(dāng)開(kāi)關(guān)管V2關(guān)斷時(shí)，變壓器原邊形成的反電勢(shì)(負(fù)電壓)高達(dá)38V。經(jīng)R3續(xù)流的勵(lì)磁電流下降率較大，變壓器磁通復(fù)位較快，不存在磁通飽和現(xiàn)象，輸出觸發(fā)脈沖序列正常，此波形對(duì)應(yīng)于圖2(b)中uGK。由于晶閘管G-K極間的電壓箝位作用，其峰值僅約1.5V;而圖4(b)表明在R3取值20Ω時(shí)，當(dāng)開(kāi)關(guān)管V2關(guān)斷時(shí)，變壓器原邊形成的反電勢(shì)(負(fù)電壓)很低，勵(lì)磁電流下降率也很小，變壓器磁通不能復(fù)位，在每次開(kāi)始觸發(fā)的前幾個(gè)脈沖列周期，勵(lì)磁電流尚不太大，磁通尚未飽和，輸出脈沖還算正常。隨著磁通逐漸積累飽和，致使輸出脈沖列幅度逐漸衰減，不能正常觸發(fā)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明磁通飽和給變換波形帶來(lái)的顯著影響。

［1] 張加勝，張磊.電力電子技術(shù)［M] .青島:中國(guó)石油大學(xué)出版社，2007:107-114

［2] 張波，張雪霽.晶閘管并聯(lián)靜動(dòng)態(tài)均流原理的教學(xué)［J] .南京:電氣電子教學(xué)學(xué)報(bào)，2011，33(2):105～107

［3] 張占松，蔡宣三.開(kāi)關(guān)電源的原理與設(shè)計(jì)［M] .北京:電子工業(yè)出版社，1998

［4] 劉覺(jué)民，付義.微機(jī)控制高頻脈沖列實(shí)現(xiàn)晶閘管“雙窄脈沖觸發(fā)”的研究與應(yīng)用［J] .北京:電工電能新技術(shù)，2012，31(1):79-83

［5] 邢巖，蔡宣三.高頻功率開(kāi)關(guān)變換技術(shù)［M] .北京:機(jī)械工業(yè)出版社，2005:162～174