一種H型橋式大功率晶閘管觸發(fā)電路設(shè)計(jì)

余先濤，郭炎彬

(武漢理工大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，湖北 武漢 430070)

晶閘管被廣泛應(yīng)用于大功率開關(guān)控制電路，對(duì)于晶閘管本身，又需要通過其它電路來進(jìn)行觸發(fā)控制。對(duì)于需要強(qiáng)觸發(fā)脈沖的大功率晶閘管交流裝置，傳統(tǒng)的觸發(fā)電路一般為一些晶體管或集成的小功率開關(guān)組成的電子觸發(fā)電路[1]，這種電路驅(qū)動(dòng)的晶閘管功率小，驅(qū)動(dòng)電路容易受功率主回路的電流干擾造成觸發(fā)電路工作異常。

韶山系列電力機(jī)車整流柜中大量采用諸如KP1800-30類型的大功率晶閘管，這類晶閘管的觸發(fā)電路前端采用的是脈沖變壓器模塊，如株洲電力機(jī)車研究所研制的GZ7-41-000脈沖輸出盒，采用脈沖輸出盒可以有效地隔離晶閘管觸發(fā)電路與晶閘管主電路的電氣聯(lián)系，具有很好的抗干擾性能，同時(shí)可以為大功率晶閘管提供足夠幅度的觸發(fā)脈沖[2]。

針對(duì)GZ7-41-000脈沖輸出盒的輸入觸發(fā)脈沖的要求，設(shè)計(jì)單個(gè)脈沖輸出盒的觸發(fā)電路，并在此基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)三相全控整流電路的晶閘管可控觸發(fā)電路。由于單片機(jī)微處理器在定時(shí)和計(jì)數(shù)方面的卓越性能，并且有足夠的輸出可以滿足三相全控整流電路六路晶閘管驅(qū)動(dòng)的需要[3-4]，在由單個(gè)H橋脈沖輸出盒觸發(fā)電路基礎(chǔ)上，由一片單片機(jī)構(gòu)成六路H橋觸發(fā)電路的控制，配合針對(duì)三相交流電的過零觸發(fā)，實(shí)現(xiàn)對(duì)三相全控整流輸出的PID調(diào)節(jié)。

1 H型橋式觸發(fā)電路設(shè)計(jì)

1.1 三相全控整流中的晶閘管觸發(fā)

單片機(jī)控制的三相全控整流電路一般由晶閘管觸發(fā)電路、三相交流過零檢測[5]和移相觸發(fā)脈沖輸出等部分組成。其中大功率晶閘管觸發(fā)電路采用H型橋式觸發(fā)電路。單片機(jī)采用Mega 2560型單片機(jī)，該單片機(jī)的特點(diǎn)是接口豐富，具有模擬量輸入和輸出接口，方便對(duì)整流橋輸出的電壓或電流進(jìn)行檢測以及對(duì)三相交流的過零點(diǎn)進(jìn)行檢測；具有開關(guān)量輸入接口，可以用于輸入操作命令；具有開關(guān)量輸出接口，可以輸出用于驅(qū)動(dòng)H型橋式驅(qū)動(dòng)電路的觸發(fā)脈沖。此外，該單片機(jī)還具有編程方便簡單的特點(diǎn)，使用類似于C語言的編程[6]，具有豐富的庫函數(shù)，方便進(jìn)行PID運(yùn)算及I/O口和模擬檢測與輸出控制[7]，系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)框圖

系統(tǒng)中由于是針對(duì)三相全控晶閘管的驅(qū)動(dòng)，設(shè)計(jì)的H型橋式驅(qū)動(dòng)電路需要6個(gè)通道實(shí)現(xiàn)對(duì)全部6個(gè)晶閘管的驅(qū)動(dòng)控制。

晶閘管的觸發(fā)是由GZ7型脈沖輸出盒對(duì)單片機(jī)輸出隔離和放大后加載晶閘管的控制極。

1.2 GZ7-41型脈沖輸出盒的驅(qū)動(dòng)要求

在韶山系列的電力機(jī)車中使用到各種大功率的晶閘管，其中有KP1800-30這樣的1 800 A大電流的晶閘管，這種晶閘管的驅(qū)動(dòng)采用GZ7-41-000的脈沖輸出盒，這種脈沖輸出盒的驅(qū)動(dòng)類似于脈沖變壓器，在其驅(qū)動(dòng)的輸入(相對(duì)于脈沖變壓器的原邊)為10 kHz的交流脈沖信號(hào)，該交流脈沖信號(hào)的幅值為24 V，本設(shè)計(jì)主要是針對(duì)這種型號(hào)的晶閘管的觸發(fā)驅(qū)動(dòng)，為了滿足GZ7型脈沖輸出盒的輸入要求，設(shè)計(jì)的驅(qū)動(dòng)電路輸出的脈沖信號(hào)的頻率為10 kHz、幅值為24 V。

1.3 基于IR2104的H型橋式交流驅(qū)動(dòng)電路

根據(jù)GZ7型脈沖輸出盒的輸入脈沖要求，采用一種單片機(jī)控制的H型橋式電路產(chǎn)生脈沖輸出盒要求的10 kHz交流24 V原邊脈沖是可行的設(shè)計(jì)方案，H型橋式電路采用了4個(gè)NMOSFET IRF540N管作為電子開關(guān)橋臂，MOS管可以輸出大電流的脈沖信號(hào)，如圖2所示。工作時(shí)T1、T4同時(shí)導(dǎo)通時(shí)，T2、T3同時(shí)截止；或者反之，這樣在GZ7脈沖盒中形成交變的24 V電壓，由單片機(jī)控制交變輸出的頻率，即可滿足GZ7脈沖輸出盒的脈沖變壓器輸入要求，并在其副邊形成驅(qū)動(dòng)晶閘管導(dǎo)通的脈沖。

圖2 NMOSFET構(gòu)成的H型橋式GZ7原邊驅(qū)動(dòng)

對(duì)于H型橋式電路中的IRF540N的驅(qū)動(dòng)，根據(jù)H橋4個(gè)開關(guān)器件的工作特點(diǎn)，這里選用IOR公司生產(chǎn)的半橋驅(qū)動(dòng)芯片IR2104。IR2104是高壓、高速功率型場效應(yīng)管和絕緣柵雙極型晶體管的驅(qū)動(dòng)芯片，這里用來驅(qū)動(dòng)場效應(yīng)管IRF540N。該芯片采用集成的電平轉(zhuǎn)換技術(shù)，提高了驅(qū)動(dòng)電路的可靠性和靈活性，并具有硬件死區(qū)，防止同臂同時(shí)導(dǎo)通等功能，特別是上管采用外部自舉電容上電，使得驅(qū)動(dòng)電源數(shù)目較其它IC大大減少[8]。

圖3為由2片半橋驅(qū)動(dòng)IR2104組成的一個(gè)全橋H型GZ7原邊驅(qū)動(dòng)電路。在圖3中，由Q11、Q12、Q13和Q14組成H型全橋電路，GZ7的原邊接P1-1A和P1-1B之間。IR2104是一個(gè)高壓驅(qū)動(dòng)芯片[9],VB、VS為上管供電，HO為上管驅(qū)動(dòng)輸出；COM為下管驅(qū)動(dòng)供電，LO為下管驅(qū)動(dòng)輸出；IN為信號(hào)的輸入端。此半橋電路的上下橋臂是交替導(dǎo)通的,每當(dāng)下橋臂開通,上橋臂關(guān)斷時(shí)VS腳的電位為下橋臂功率管Q12的飽和導(dǎo)通壓降,基本上接近地電位,此時(shí)VCC通過自舉二極管D11對(duì)自舉電容C11充電使其接近VCC電壓。當(dāng)Q12關(guān)斷時(shí)VS端的電壓就會(huì)升高,由于電容兩端的電壓不能突變,因此，VB端的電平接近于VS和VCC端電壓之和,而VB和VS之間的電壓還是接近VCC電壓。當(dāng)Q12開通時(shí),C11作為一個(gè)浮動(dòng)的電壓源驅(qū)動(dòng)Q12；而C11在Q12開通其間損失的電荷在下一個(gè)周期又會(huì)得到補(bǔ)充,這種自舉供電方式就是利用VS端的電平在高低電平之間不停地?cái)[動(dòng)來實(shí)現(xiàn)的。當(dāng)使能芯片后，在輸入端輸入高電平，則在HO輸出高電平，LO輸出低電平。在輸入端輸入低電平時(shí)，HO和LO的輸出則相反。電路中采用一片74LS01作為全橋的兩個(gè)IR2104的控制脈沖反向，使兩個(gè)半橋?qū)崿F(xiàn)對(duì)稱輸出，以便在GZ7的原邊形成24 V的交變輸出。74LS01由單片機(jī)的開關(guān)量輸出控制，兩路開關(guān)量，其中P1.4由于產(chǎn)生IR2104的封鎖控制，P1.0用于產(chǎn)生10 kHz的脈沖信號(hào)[10]。

圖3 H型全橋IR2104驅(qū)動(dòng)電路

2 系統(tǒng)軟件的設(shè)計(jì)

軟件設(shè)計(jì)包含系統(tǒng)的初始化、控制角的計(jì)算與輸入、同步信號(hào)的輸入與檢測、脈沖的輸出、系統(tǒng)的復(fù)位。

系統(tǒng)的初始化主要是單片機(jī)端口初始化，包括輸入/輸出口、AD/DA口的定義、同步信號(hào)的輸入與檢測及三相過零信號(hào)的檢測，通過直流輸出電壓的檢測，再通過PID計(jì)算后形成每個(gè)晶閘管觸發(fā)的導(dǎo)通角(控制角)，最后輸出控制每路晶閘管的IN信號(hào)和SD信號(hào)。

筆者設(shè)計(jì)的三相全控整流觸發(fā)電路具有兩個(gè)輸出控制，即三相全控可控輸出和六路晶閘管同時(shí)觸發(fā)輸出，由于在對(duì)SS系列電力機(jī)車整流柜進(jìn)行均壓和均流試驗(yàn)時(shí)，需要整流柜中的所有晶閘管的0°控制角打開，不需要對(duì)其三相交流輸入進(jìn)行過零檢測和控制角計(jì)算，因此，在控制板選擇整流柜試驗(yàn)時(shí)，上電即同時(shí)輸出六路晶閘管的觸發(fā)脈沖信號(hào)。軟件控制流程如圖4所示。

圖4 程序流程圖

根據(jù)所設(shè)計(jì)的電路圖，對(duì)電路進(jìn)行了測試，得到了如圖5所示的結(jié)果，與預(yù)期的10 kHz的24 V信號(hào)是一致的，該信號(hào)可以很好地去觸發(fā)晶閘管電路。

圖5 觸發(fā)信號(hào)

3 結(jié)論

筆者設(shè)計(jì)的H型橋式大功率晶閘管觸發(fā)驅(qū)動(dòng)電路，成功地應(yīng)用于襄陽機(jī)務(wù)段SS6B電力機(jī)車整流柜檢修的均壓均流試驗(yàn)臺(tái)中，取代了原試驗(yàn)臺(tái)采用機(jī)車觸發(fā)板的設(shè)計(jì)，大大簡化了試驗(yàn)臺(tái)中晶閘管觸發(fā)的設(shè)計(jì)，避免了原觸發(fā)板故障率高的問題，使電力機(jī)車主整流柜的檢修試驗(yàn)的設(shè)備成本低，穩(wěn)定性好，抗干擾能力強(qiáng)，檢修方便。

此外，該電路還可以廣泛地應(yīng)用于大電流晶閘管應(yīng)用的各種電路的觸發(fā)控制中。