1、宁夏理工学院毕业设计I摘要 电力电子技术诞生自今已有 50 多年的历史，尽管可供电力电子行业技术人员选用的电力电子器件有 40 多种，但直到今天晶闸管仍占据着单容量的霸主地位。因其触发性能的好坏，对晶闸管控制系统的可靠性、快速性、稳定性，以及调节范围和精度都有很大影响。其触发电路的设计也从原先的分立式触发器（主要有阻容移相桥、单结晶体管、正弦波同步、锯齿波同步、三角波同步）发展到模拟集成触发器，再到数字集成式触发器，直至现在着力研究的数字化、模块化、智能化晶闸管触发器。本文着重阐述了同步信号为锯齿波的触发电路的工作原理及其双窄脉冲的形成过程设计，继而推出智能型触发器的设计。关键词：晶闸管；锯齿
2、波；双脉冲；触发；移相；数字触发器宁夏理工学院毕业设计IIAbstractPower electronic technology has a history of more than 50 years, Although the power electronous devichas chosen power electronics has a variety of about 40, nowadays thyristor still occupies the dominance of the single capacity. Triggering performance has adeep e
3、ffect on thyristor controlled system reliability, quickness, stability, and the adjusting range and accuracy. Its triggercircuitdesign also:develops from the original are mainly flip-flops (phase shifting reluctance to let bridge, and single junction transistor, sine wave synchronization, sawtooth w
4、ave synchronization, triangle wave synchronous) to analog integrated flip-flop to digital integrated type flip-flop then to now focusing on research digitization, modular,intelligent thyristor trigger. Now the paper elaborates improve the design synchronous signal is a sawtooth wave DE trigger circu
5、it principle of work the form of wave double pulse , and their indelible roles in development. Keywords：thyristor; sawtooth wave; double pulse triggering; phase shifting; Digital trigger宁夏理工学院毕业设计III目录摘要 .IAbstract . II1 绪论 .11.1 引言 11.2 晶闸管触发器的发展状况 .11.2.1 分立式晶闸管触发器 11.2.2 模拟集成式晶闸管触发器 21.2.3 数字集成式晶
6、闸管触发器 21.3 晶闸管触发器的发展趋势及论文的主要内容 32 晶闸管 .42.1 晶闸管及其控制方式 .42.2 晶闸管的伏安特性 .53 触发电路 .63.1 变流器对触发电路的要求 .63.2 触发电路的类型 . 63.3 晶闸管对触发电路的要求 . 73.3.1 触发脉冲的作用 73.3.2 触发脉冲参数要求 . 83.3.3 触发脉冲形式要求 83.4 单结晶体管的触发电路分析 .93.4.1 常见的触发脉冲电压波形 93.4.2 要求 93.4.3 具有同步环节的单结晶体管触发电路 .103.5 同步信号为锯齿波的触发电路的研究 113.5.1 脉冲的形成与放大电路 .113.
7、5.2 锯齿波的形成脉冲移相 .133.5.3 同步环节电路 .15宁夏理工学院毕业设计IV3.5.4 三相桥式全控整流电路 .163.5.5 双窄脉冲的形成环节电路的设计 .173.5.6 强触发电路环节 .183.6 防止误触发的措施的研究 184 智能型双窄脉冲触发电路的设计 204.1 硬件原理图设计 204.1.1 RC 移相及同步电路的实现 .204.1.2 主控芯片的选用 .224.1.3 AD 转换器 .224.1.4 闭环调节器 .224.1.5 脉冲放大与输出电路 .234.1.6 过压、过流、欠压和过热等外部故障保护电路 .244.1.7 电源设计 .254.1.8 软件
8、部分 .254.2 双窄脉冲的形成 295 总结与展望 31参考文献 .32致谢 .33附录： .34宁夏理工学院毕业设计- 1 -1 绪论1.1 引言自第一只晶闸管诞生以来，电力电子技术已发展了 50 多年，由于晶闸管所能承受的电压和电流容量仍然是目前电力电子器件中最高的，所以晶闸管仍是人类可以使用的单管容量( 电压乘以电流) 最大的电力电子器件。在我国每年投运的电力电子设备中，晶闸管的装机容量仅次于电力整流管的电力电子器件，在特大功率电力电子设备中的霸主地位直至今天也是任何其它电力电子器件所无法取代的，因此在特大功率电气传动设备或电力电子变流系统中，承担电能变换或控制任务的主要电力电子器件
9、仍是晶闸管。而晶闸管要导通，就必须保证当阳阴极承受正向电压时，门阴极有触发脉冲，所以在晶闸管类电力电子设备的应用中必不可少的是对晶闸管触发器的研究，触发器性能的好坏，对晶闸管控制系统的可靠性、稳定性、快速性，以及调节范围和精度都有很大影响，也就是说只有晶闸管触发器产生可靠的门极触发脉冲，晶闸管才可能正常工作，晶闸管类电力电子设备的工作性能才能进一步提高。1.2 晶闸管触发器的发展状况1957 年，美国 GE 公司发明了人类第一只晶闸管(Thyristor)，开辟了电力电子技术的新阶段，为今日电力电子技术的日新月异奠定了坚实的基础。在此期间，伴随着晶闸管自身的发展，为其提供触发脉冲的触发器也在不
10、断的演进，从最初阶段的分立式晶闸管触发器到后来广泛应用的多片、单片模拟集成式晶闸管触发器，再到现在正热门开发的数字集成式晶闸管触发器，晶闸管触发器的发展可谓是突飞猛进。可以预言，将来晶闸管触发器必然向着更高性能发展。数字化、智能化、模块化是晶闸管触发器发展的必然趋势。1.2.1 分立式晶闸管触发器20 世纪 60 年代后期至 70 年代初期，晶闸管主要用来取代汞弧整流器实现从交流到直流的转化，电力电子行业称之为顺变器阶段。在该阶段内，晶闸管应用的主要领域是电解、电镀和直流调速等，其触发器绝大部分都是分立式触发器，主要有阻容移相桥、单结晶体管、正弦波同步、锯齿波同步、三角波同步等几种触发器。由于
11、分立器件的分散性以及所用元件的数量较多，因而决定了一个晶闸管的触发器就是一块控制板，所以这一时期生产的晶闸管类电力电子设备几乎全为多块控制板式的插件箱。单相全控桥晶宁夏理工学院毕业设计- 2 -闸管整流系统，就需四块触发器板、一块正电源板、一块负电源板、一块保护板、一块调节板，共八块控制板。用量较大的晶闸管三相桥式全控整流系统，需要六块触发器板，一块调节板，一块保护板，一块给定板，两块电源板，一块放大板共有十二块控制板，组成插件箱结构。对于用户来说，要想构成一个晶闸管变流装置，只能在市场上买到各个组成单元，要将各个组成单元拼接在一起才能构成完整的系统整体，而且，各组成单元的功能有时并不能满足实
12、际的需要，经常需进行大量的二次开发过程，消耗大量的人力物力。并且分立器件分散性大，其参数易受环境温度等变化的影响而漂移，所以这种分立式晶闸管触发器的可靠性相对较差，系统结构及配线较复杂，使用起来很不方便。目前，分立式晶闸管触发器已被集成式触发器所取代，在新生产的晶闸管类电力电子设备中，分立式晶闸管触发器己不再使用。1.2.2 模拟集成式晶闸管触发器20 世纪 70 年代后期至今，世界上电力电子技术发达的国家不断推出了模拟集成式触发器，这种集成触发器将同步信号、脉冲移相、脉冲形成等触发电路的几个主要环节制作在一个集成块内，外部有适当的引出管脚，使用时，只需接上电源、引入同步电源、控制信号，加上简
13、单的外部辅助电路，就可以得到所需要的触发脉冲。目前国内常用的多片集成式触发器有 KJ、KC 系列、TCA785 等，这种小规模集成电路，通过比较三相锯齿波信号和直流控制信号来获得移相信号的相位参考点，而三相锯齿波信号的斜率、占空比、幅度等与分离的每相元器件参数密切相关，信号中比较小的干扰可能造成较大的相移误差，因而电路的可靠性和自动平衡能力较差。同时，在三相桥式全控整流电路中，必须采用 5 片集成电路，使用时存在电路功耗大、抗干扰能力差、长期可靠性差等问题。1.2.3 数字集成式晶闸管触发器以往的模拟触发电路都是利用控制电压的幅值与交流同步电压综合来获得同步和移相脉冲，即用控制电压的模拟量来直
14、接控制触发角，而晶闸管触发信号本质上是一种离散量，完全可以由数字信号来实现。随着微电子技术的发展，特别是微型计算机的广泛应用，数字式触发器的控制精度和响应速度可大大提高，同时，由微处理器做成的晶闸管数字触发器因不存在模拟触发器的分散性以及一致性差等缺陷，故使触发器技术又向前推进了一步。最早的数字式触发器是由单板机最小系统实现的，后来开发了具有相序自适应功能及自对相功能的单片数字式触发器。后来，随着单片机技术的发展，人们采用单片机控制技术开发出了晶闸管数字触发器，该类触发器因为采用数字运算而性能稳宁夏理工学院毕业设计- 3 -定，产生的触发脉冲对称度好、易调整，弥补了模拟集成式触发器使用必须确定
15、同步电压相序等不足，它仅用一片单片机，借助巧妙的软件设计便实现了模拟触发器的所有功能，并具有相序自适应、缺相保护、内含数字 PI 调节器、参数在线调节等功能，还能实现系统的智能控制，是国内晶闸管触发器开发研究的一个热点。1.3 晶闸管触发器的发展趋势及论文的主要内容由于环境、能源、社会、高效化的要求，电力电子设备正向高性能化、智能化、数字化、系统化及绿色化发展，作为电力电子设备核心器件的晶闸管触发器也就必然要朝着数字化、模块化和智能化方向发展。但究其根本其原理离不开分立式晶闸管触发器。本文主要以同步信号为锯齿波的触发电路为对象阐述其原理。为发展数字化、模块化和智能化的晶闸管触发器打下坚实基础继
16、而对智能化触发电路的设计。宁夏理工学院毕业设计- 4 -2 晶闸管2.1 晶闸管及其控制方式我国目前生产的晶闸管，从外形上分，有两种形式：螺栓式和平板式，晶闸管是一种大功率的 PNPN 四层半导体元器件，具有三个 PN 结，引出三个极，阳极 A、阴极 K、门极（控制极）G，其外形及符号如图 2.1(a)所示，各管脚名称（阳极 A、阴极 K、具有控制作用的门极 G）标于图中。图 2.1(b)所示为晶闸管的图形符号及文字符号。(b)电气图符号及 文字符号(a)部分晶闸管的外形图 2.1 晶闸管的外形及符号晶闸管的工作原理如下：(1)当晶闸管承受反向阳极电压时，无论门极是否有正向触发电压或者承受反向
17、电压，晶闸管不导通，只有很小的的反向漏电流流过管子，这种状态称为反向阻断状态。说明晶闸管像整流二极管一样，具有单向导电性。(2)当晶闸管承受正向阳极电压时，门极加上反向电压或者不加电压，晶闸管不导通，这种状态称为正向阻断状态。这是二极管所不具备的。(3)当晶闸管承受正向阳极电压时，门极加上正向触发电压，晶闸管导通，这种状态小电流塑封式小电流塑封式小电流螺旋式阴极（K）阴极（K）阳极（A）阳极（A）门极（G）门极（G）宁夏理工学院毕业设计- 5 -称为正向导通状态。这就是晶闸管闸流特性，即可控特性。(4)晶闸管一旦导通后维持阳极电压不变，将触发电压撤除管子依然处于导通状态。即门极对管子不再具有控
18、制作用。(5)若要使已导通的晶闸管关断，只能利用外加电压和外电路的作用使流过晶闸管的电流降至接近于零的某一数值以下。2.2 晶闸管的伏安特性以上特点反映到晶闸管的伏安特性上如图 2.2 所示。位于 I 区象限的是正向特性，位于 III 象限的是反向特性。当 IG=0 时，如果在其间两端施加正向电压，则晶闸管处于正向阻断状态，只有很小的正向漏电流流过。如果正向电压超过临界值即正向转折电压Ubo，则漏电流急剧增大，器件开通（由高阻区经虚线负阻区到低阻区） 。随着门极电流幅值的增大，正向转折电压降低。导通后的晶闸管特性和二极管的正向特性相仿。即使通过较大的阳极电流，晶闸管本身的压降也很小，在 1V
19、左右。导通期间，如果门极电流为零，并且阳极电流降至接近于零的某一数值 Ih 一下，则晶闸管又回到正向阻断状态。当在晶闸管上施加反向电压时，其伏安特性类似二极管反向特性。晶闸管处于反向阻断状态时，外电路如无限制措施，则反向漏电流急剧增大，导致晶闸管发热损坏。晶闸管的门极电流是从门极流入晶闸管，从阴极流出。阴极是晶闸管主电路与控制电路的公共端。门极触发电流往往是通过触发电路在门极和阴极之间施加触发电压而产生的。为保证可靠、安全的触发，门极触发电路所提供的触发电压、触发电流和功率都应限制在晶闸管伏安特性曲线中的可靠触发区。-IAIh O正向导 通雪崩击穿+UA-UAIGUb0宁夏理工学院毕业设计-
20、6 -图 2.2 晶闸管伏安特性曲线3 触发电路3.1 变流器对触发电路的要求变 流 器 除 主 电 路 (分 别 为 整 流 电 路 、 逆 变 电 路 、 交 流 变 换 电 路 和 直 流 变 换 电 路 ） 外 ，还 需 有 控 制 功 率 开 关 元 件 通 断 的 触 发 电 路 （ 或 称 驱 动 电 路 ） 和 实 现 对 电 能 调 节 、 控 制的 控 制 电 路 。 变 流 器 的 触 发 电 路 包 括 脉 冲 发 生 器 和 脉 冲 输 出 器 两 部 分 组 成 。 前 者 根据 控 制 信 号 的 要 求 产 生 一 定 的 频 率 、 一 定 的 宽 度 和 一
21、 定 相 位 的 脉 冲 ； 后 者 将 此 脉 冲 的电 平 放 大 为 适 合 变 流 器 中 功 率 开 关 元 件 需 要 的 驱 动 信 号 。3.2 触发电路的类型触 发 电 路 按 控 制 的 功 能 可 分 为 相 控 触 发 电 路 路 （ 用 于 可 控 整 流 器 、 交 流 调 压 器 、直 接 降 频 器 和 有 源 逆 变 器 ） 、 斩 控 触 发 电 路 和 频 控 触 发 电 路 。 采 用 正 弦 波 的 频 控 电 路不 仅 能 控 制 逆 变 器 的 输 出 电 压 ， 还 能 改 善 输 出 电 压 的 质 量 。相控触发电路。应用于可控整流器、交流调
22、压器、直接降频器和有源逆变器中。根据变流器主电路相数分为单相、三相和多相相控触发电路。在多相相控触发电路中，各晶闸管，特别是同一相的一对晶闸管的触发滞后角的一致是非常重要的。如各晶闸管的触发电路移相通道相同，则触发滞后角相同。相控触发电路按移相通道还可分为单通道、三通道和多通道。单通道的相控触发电路的触发滞后角一致性好，三通道的次之，多通道的最差。斩控触发电路。可按控制方式分为脉冲宽度控制、脉冲频率控制和宽度频率混合控制。脉冲宽度控制保持方波脉冲的周期不变，仅改变脉冲宽度。脉冲频率控制保持方波脉冲的宽度不变，仅改变方波的周期。在宽度频率混合控制中，方波脉冲的宽度和频率都改变。频控触发电路。将控
23、制信号转变为某一频率的脉冲或脉冲群，再由这些脉冲驱动无源逆变电路中的大功率晶体管或其他功率开关元件。频控触发电路按其能否控制逆变器的输出电压分为脉宽调制频控触发电路和导电角度恒定的频控触发电路。前者又可按调压方法分为单脉冲调制、多脉冲方波调制和正弦波调制的频控触发电路。采用正弦波调宁夏理工学院毕业设计- 7 -制的频控触发电路不但能控制逆变器的输出电压，还能改善输出电压的质量。脉冲输出器。触发电路产生的脉冲信号经脉冲输出器产生驱动信号。按驱动对象可分为以下 4 种。(1)晶闸管驱动电路：当信号要求晶闸管导通时，产生幅度和宽度足够的正门极脉冲电流。(2)可关断晶闸管驱动电路：当信号要求可关断晶闸
24、管关断时，产生幅度和宽度足够的负门极脉冲电流。(3)功率晶体管驱动电路：当信号要求功率晶体管导通时，产生足够的基极驱动电流；当信号要求功率晶体管关断时，使基极驱动电流降到零或变负。(4)功率场效应晶体管驱动电路：根据信号的要求，提供场效应晶体管合适的栅极电压。在很多变流电路中，要求控制电路和功率开关元件之间电隔离。按完成隔离的器件种类，可分为光电耦合器件隔离和脉冲变压器隔离。光电耦合器件的输出信号功率较小，一般都得经过放大后才能驱动功率开关元件。脉冲变压器输出信号一般可以直接驱动功率开关元件。3.3 晶闸管对触发电路的要求晶闸管触发电路的作用是将控制信号 Uk 转变成延迟角 （或 ）信号，向晶
25、闸管提供门极电流，决定各个晶闸管的导通时刻。因此，触发电路与主电路一样是晶闸管装置中的重要部分。两者之间既相对独立，又相互依存。正确设计的触发电路可以充分发挥晶闸管装置的潜力，保证运行安全可靠。触发电路在晶闸管变流装置中的地位如图 3.1 所示，可把触发电路和主电路看成一个功率放大器，以小功率的输入信号直接控制大功率的输出。电源功率输出触发脉冲控制信号控制系统 触发电路 主电路图 3.1 触发电路在晶闸管装置中的地位3.3.1 触发脉冲的作用各种电力电子器件的门极或控制极的控制电路都应提供符合一定要求的触发脉冲。对于晶闸管的触发脉冲来说，其作用是决定晶闸管的导通时刻，同时还应提供相应的门极触发
26、电压和门极触发电流。 宁夏理工学院毕业设计- 8 -触发脉冲除了包括脉冲的电压和电流参数外，还应有脉冲的陡度和后沿波形，脉冲的相序和相角以及与主电路的同步关系，同时还须考虑门控电路与主电路的绝缘隔离问题和抗干扰、防止误触发问题。由于晶闸管是半控型器件，管子导通后即失去控制作用，为了减少门极损耗，故门极输出不用直流而用单脉冲或双脉冲，有时还采用由许多单脉冲组成的脉冲列，以代替宽脉冲。 3.3.2 触发脉冲参数要求 触发脉冲的主要参数有触发电流、脉冲宽度等，具体要求如下：(1)触发电流- 晶闸管是电流控制型器件，只有在门极里注入一定幅值的触发电流时才能触发导通。由于晶闸管伏安特性的分散性，以及触发
27、电压和触发电流随温度变化的特性，所以触发电路所提供的触发电压和触发电流应大于产品目录所提供的可触发电压和可触发电流，从而保证晶闸管的可靠触发，但不得超过规定的门极最大允许触发电压和最大允许触发电流。实际触发电流可整定为 35 倍的额定触发电流。 (2)触发脉冲宽度-触发脉冲的宽度应能保证使晶闸管的阳极电流上升到大于擎住电流。由于晶闸管的开通过程只有几微秒，但并不意味着几微秒后它已能维持导通。若在触发脉冲消失时，阳极电流仍小于擎住电流，晶闸管将不能维持导通而关断。因此对脉冲宽度有一定要求，它和变流装置的负载性质及主电路的形式有关。对于三相全控桥电路,要求双窄脉冲宽度为 20-30。 (3)强触发
28、脉冲-触发脉冲前沿越陡，越有利于并联或串联晶闸管的同时触发导通。因此在有并联或串联晶闸管时，要求触发脉冲前沿陡度大于或等于 10V/uS，通常采取强触发脉冲的形式。另外，强触发脉冲还可以提高晶闸管承受 di/dt 的能力。 (4)触发功率- 触发脉冲要有足够的输出功率，并能方便地获得多个输出脉冲，每相中多个脉冲的前沿陡度不要相差太大。为了获得足够的触发功率，在门极控制电路中通常要功率放大电路。 3.3.3 触发脉冲形式要求 在晶闸管的触发电路中，除了对触发脉冲的具体参数有所要求外，还对触发脉冲的形式有下列要求： (1)正向脉冲- 晶闸管的触发电路必须保证加在晶闸管的门极上是一个对阴极为正电压的
29、触发脉冲。 (2)脉冲形式- 触发脉冲在形式上有宽脉冲、窄脉冲、脉冲列等多种，一般为了减小损耗采取窄脉冲或双窄脉冲的形式。有时也采用对宽脉冲进行高频调制，得到脉冲列的宁夏理工学院毕业设计- 9 -形式。 (3)与主电路同步-在可控整流、有源逆变及交流调压的触发电路中，为了使每一周波重复在相同的相位上触发，触发脉冲必须与上升变流装置的电源电压同步，即触发信号与主电路电源电压保持固定的相位关系。否则负载上的电压会忽大忽小，甚至触发脉冲出现在电源电压的负半周，使主电路不能正常工作。 (4)抗干扰能力-晶闸管的误导通往往是由于干扰信号进入门极电路而引起的，因此需要在触发电路中采取屏蔽等抗干扰措施，是为
30、了防止晶闸管的误触发。 除上述要求外，触发脉冲的移相范围除了应满足变流装置主电路的要求，另外触发脉冲的频率也应可调，以适应变频电路和斩波电路的要求。3.4 单结晶体管的触发电路分析 3.4.1 常见的触发脉冲电压波形图 3.2 常见的触发脉冲电压波形(a)正弦波 (b)尖脉冲 (c)方脉冲 (d)强触发脉冲 (f)脉冲列3.4.2 要求多数晶闸管电路要求触发脉冲前沿要陡，以实现精确的触发导通控制。当负载为电感性时，触发脉冲必须具有一定的宽度，以保证晶闸管的电流上升到擎住电流以上，使之可靠导通。单结晶体管。(1)单结晶体管的结构单结晶体管是在一块高电阻率的 N 型硅片两端用欧姆接触方式引出第一基
31、极 b1 和第二基极 b2，b 1 与 b2 之间的电阻为 N 型硅片的电阻体，约为 312k ，在硅片靠近 b2 极掺入 P 型杂质，形成 PN 结，由 P 区引出发射极 e。（a） (b) (c) (d) (f)(a) (b)b2eb2b1b1 111111e宁夏理工学院毕业设计- 10 -图 3.3 单结晶体管( a)图形符号 (d)外形及管脚(2)单结晶体管型号：有 BT33 和 BT35 两种，其中 B 表示半导体，T 表示特种管第一个数字 3 表示有 3 个电极，第二个数字 3(或 5)表示耗散功率 300mW(或 500mW)。(3)工作原理截至区饱和区负阻区UeIeUeIeo
32、o平移(a)单结晶体管伏安特性 (b)特性曲线族图 3.4 单结晶体管伏安特性单结晶体管可分为以下三个区：截止区、负阻区、饱和区导通条件：发射极电压达到。图 3.5 所示为单相桥式半控整流电路的触发电路，其方式采用单结晶体管同步触发电路，其中单结晶体管的型号为 BT33，电路图及参数如图 3.5 所示。宁夏理工学院毕业设计- 11 -CB4*1N4148220V100nCVD5V3 V4V2V10BT33V11.2kR15.1kR2100 R4330 R336VRP100kFU11N4746AD图 3.5 单结晶体管触发电路3.4.3 具有同步环节的单结晶体管触发电路前面已知要使晶闸管导通，除
33、了加上正向阳极电压外，还必须在门极和阴极之间加上适当的正向触发电压与电流。为门极提供触发电压与电流的电路称为触发电路。对晶闸管触发电路来说，首先触发信号应该具有足够的触发功率（触发电压和触发电流） ，以保证晶闸管可靠导通；其次触发脉冲应有一定的宽度，脉冲的前沿要陡峭；最后触发脉冲必须与主电路晶闸管的阳极电压同步并能根据电路要求在一定的移相范围内移相。此同步电路既作为触发电路同步电压又作为触发电路工作电源。同步变压器与晶闸管整流电路接在同一相电源上，使晶闸管的阳极电压为正时的某一区间内被触发。同步电路由同步变压器、桥式整流电路 VD1VD4、电阻 R2 及稳压管组成。同步变压器一次侧与晶闸管整流
34、电路接在同一相电源上，交流电压经同步变压器降压、单相桥式整流后再经过稳压管稳压削波形成一梯形波电压，该电压既是单结管的电源又作为触发电路的供电电压。从而实现触发电路与整流主电路的同步。调节 RP 就可以改变电容 C 的充电电流大小，改变电容 C 的电压达到晶体管峰值电压 的时间，改变触发脉冲的第一个触发PU脉冲出现的时间，即改变晶闸管的控制角 。3.5 同步信号为锯齿波的触发电路的研究在分析电路工作原理之前，先介绍几个名词术语和概念。控制角 ：控制角 也叫触发角或触发延迟角，是指晶闸管从承受正向电压开始到宁夏理工学院毕业设计- 12 -触发脉冲出现之间的电角度。导通角 ：是指晶闸管在一周期内处
35、于导通的电角度。移相：移相是指改变触发脉冲出现的时刻，即改变控制角 的大小。移相范围：移相范围是指一个周期内触发脉冲的移动范围，它决定了输出电压的变化范围。3.5.1 脉冲的形成与放大电路脉冲的形成环节由晶闸管 V4、V5 组成，V7、V8 起脉冲放大作用。控制电压 Uco 加在 V4 的基极上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。当控制电压 Uco=0 时，V4 截止。+E1（+15 V）电源通过 R11 供给 V5 一个足够大的基极电流，使 V5 饱和导通，所以 V5 的集电极 Uc5 接近E1（-15V） 。V7 、V8 处于截止状态，无脉冲输
36、出。另外，电源的+E1(15V)经 R9、V5 发射结到-E1 （-15V）,对电容 C3充电，充满后电容两端电压接近 2E1（30V）如图：当控制电压 Uco=0.7V 时，V4 导通，U A 由+E1（+15V）迅速降至 1.0V 左右，由于电容 C3 两端的电压不能突变，所以 V5 基极电位迅速降至约 -2E1（-30V） ，由于 V5 发射极反向偏置，V5 立即截止。它的集电极电压由-E1（-15V）迅速上升到钳位电压+2.1V（ VD6 、 VD7 、 VD8 三个 PN 结正向压降之和） ，于是 V7、V8 导通，输出触发脉冲。同时，电容 C3 经电源+E1 、R11、VD4、V4
37、 放电和反向充电，使 V5 基极电位逐渐上升，直到 Ub5-E1(-15V),V5 又重新导通。这时 Uc5 又立即降至-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 ,V5(或 V6)截止持续时间为脉冲宽度。所以脉冲宽度与反向充电回路时间常数 R11C3 有关.。宁夏理工学院毕业设计- 13 -V4VD4R9R11 R12C3 V5VD6 V7V8R13 R14R16C5VD7 TPVD8VD9R18VCC+E1R7UkVCC-E1+E1图 3.6 脉冲的形成与放大MV2 断V2 通C1放电C1充电1202400.7V15V-30V-15V50V15V50V
38、15V50VuTPuc8uBuc5ub5uAub4ucouh+upue3uQuTSoooooooooooowtwtwtwtwtwtwtwtwtwtwtwtUco宁夏理工学院毕业设计- 14 -图 3.7 锯齿波移相触发电路电压3.5.2 锯齿波的形成脉冲移相锯齿波波的形成方案较多，如采用自举式电路、恒流源电路等。图为恒流源电路方案，由 V1、V2、V3 和 C2 等元件组成，其中 V1、VS、RP2、和 R3 为一恒流源电路。 当 V2 截止时，恒流源电流 I 对电容 C2 充电，所以 C2 两端的电压 Uc 为Uc=1/CItUc 按线性增，即 V3 的基极电位 Ub3 按线性增长。调节电位
39、器 RP2 即改变 C2 的恒定冲电电流 I，可见 RP2 是调节锯齿波的斜率的。当 V2 导通时，由于 R4 阻止小，所以 C2 迅速放电，使 Ub3 迅速降至零伏附近。当V2 周期性的导通关断时，U b3 便形成一锯齿波，同样 Ue3 也是一个锯齿波电压，射极跟随器是减少控制回路的电流对锯齿波 Ub3 的影响。V4 管的基极电位由锯齿波电压、直流控制电压、直流偏移电压三个电压作用的叠加值所，他们分别通过电阻 R6、R7 和 R8 与基极相接。设 Uh 为锯齿波电压 Ue3 单独作用在 V4 基极 b4 时的电压，其值为37/86()ehRu可见 Ub 仍为一锯齿波，但倾斜比 Ue3 低。同
40、理偏离电压 Up 单独作用是 b4 的电压Up 为 /()p可见 Up 仍为一条与 Up 平行的一条直线但绝对值比 Up小。直流控制电压 Uco 单独作用时 b4 的电压 Uco 为6/87()coRu可见 Uco 仍为与 Uco 平行的一条直线但绝对值比 Uco 小。1 2 3 4 5 6ABCD654321DCBATitleNumber RevisionSizeBDate: 14-May-2011 Sheet of File: D:My DocumentspcbMyDesign.ddb Drawn By:R6R7R8R6R7R8R6R7R8VT4 VT4 VT4UpUcoUh Uh Uco
41、 Up图 3.8 移相控制环节的等效电路图如果 Uco=0 时， Up 为负值时，b4 点的波形由 Uh+Up 确定，当 Uco 为正值时，b4 点的波形由 Uh+Up+Uco 确定。由于 V4 的存在，上述电压波形与实际波形有出入，当 b4 点电宁夏理工学院毕业设计- 15 -压等于 0.7V 后，V4 导通, 之后 b4 一直被钳位在 0.7V。所以实际波形如图 3.7 所示。图中 M 点是 V4 由截止到导通的转折点。由前面分析可知 V4 经过 M 点时使电路输出脉冲。因此当 Up 为某一固定值时，改变 Uco 便可改变 M 点的时间坐标，即改变了脉冲产生时刻，脉冲被移相。可见加 Up的
42、目的是为确定控制电压 Uco=0 时脉冲的初相位。当接阻感负载电流连续时，三相全控桥的脉冲初始位应定为 =90；如果是可逆系统，需要在整流和逆变状态下工作，三相全控桥的脉冲初始相位范围理论上 180，但实际是 120，由于锯齿波波形两端的非线性，因而要求锯齿波的宽度大于 180，例如 240，此时，令Uco=0，调节 Up 的大小使产生脉冲的 M 点移至锯齿波 240中央，对于 =90的位置。这时，如 Uco 为正，M 点就向前移，控制角 小于 90,晶闸管电路处于整流状态；如Uco 为负，M 点就向后移，控制角 就大于 90，晶闸管就处于逆变状态。VD1 VD2C1TsR2R1VSV1V2R
43、4R3V3C2R5+E1RP2图 3.9 锯齿波的形成环节宁夏理工学院毕业设计- 16 -R6R7R8V4R9C3Ue3Uk UpText图 3.10 移相控制环节3.5.3 同步环节电路（1）什么是同步触发信号和电源电压在频率和相位上相互协调的关系叫同步。例如，在单相半波可控整流电路中，触发脉冲应出现在电源电压正半周范围内，而且每个周期的 角相同，确保电路输出波形不变，输出电压稳定。（2）同步电路组成由同步变压器 TS 和作为开关用的晶闸管 V2 组成。同步变压器与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 通断作用，这就保证了触发脉冲与主电路的同步。在锯齿波同步的触发电路
44、中，触发电路与主电路的同步是指要求锯齿波频率与主电路电源的频率相同且相位关系确定。从图 3.9 可知，锯齿波是由开关 V2 管来控制。V2 由导通变截止期间产生锯齿波，V2 截止状态持续的时间就是锯齿波的宽度， V2 开关的频率就是锯齿波的频率。要使触发脉冲与主电源同步，使 V2 开关的频率与主电路电源的频率同步就可以达到。同步变压器 TS 二次侧电压 Uts 经二极管 VD1 间接加在 V2 的基极上。当二次电压波形在负半周的下降阶段时，VD1 导通，电容 C1 被迅速充电。因 O 点接地为零电位，R点位负电位，Q 点电位与 R 点电位相接近，故在这一阶段 V2 基极为反向偏置，V2 截止。
45、在负半周的上升阶段，+E1 电源通过 R1 给电容 C1 充电，U q 为电容反相充电波形，其上升速度比 Ust 波形慢，故 VD1 截止。如图 3.11，当 Q 点电位达 1.4V 时，V2 导通，Q 点电位被钳位在 1.4V。如此周而复始。在一个正弦波周期内， V2 包括截止和导通两状态，Uco宁夏理工学院毕业设计- 17 -对应锯齿波形恰好是一个周期，与主电路电源和相位完全同步，达到同步的目的。可以看出，Q 点电位从同步电压负半周上升阶段开始时刻到达 1.4V 的时间越长，V2 截止的时间越长，锯齿波就越宽。可知锯齿波的宽度是由充电时间常数 R1C1 决定的。VD1 VD2C1TsR2V
46、2图 3.11 锯齿波形成的同步环节3.5.4 三相桥式全控整流电路双窄脉冲是晶闸管桥式整流电路的特殊要求。电路的构成及工作特点三相桥式全控整流电路原理图如图 3.12 所示。三相桥式全控整流电路是由三相半波可控整流电路演变而来的，它由三相半波共阴极接法(VT1、VT3、VT5)和三相半波共阳极接法(VT2、VT4、VT6) 的串联组合。其工作特点是任何时刻都有不同组别的两只晶闸管同时导通，构成电流通路因此为保证电路启动或电流断续后能正常导通，必须对不同组别应到导通的一对晶闸管同时加触发脉冲，所以触发脉冲的宽度应大于 60的宽脉冲。宽脉冲触发要求触发功率大，易使脉冲变压器饱和，所以可以双窄脉冲
47、代替宽脉冲；每隔60换相一次，换相过程在共阴极组和共阳极组轮流进行，但只在同一组别中换相。接线图中晶闸管的编号方法使每个周期内 6 个管子的组合导通顺序是 VT1-VT2-VT3-VT4-VT5-VT6；共阴极组 T1、 T3、T5 的脉冲依次相差 120；同一相的上下两个桥臂，即VT1 和 VT4， VT3 和 VT6，VT5 和 VT2 的脉冲相差 180，给分析带来了方便；当时=0，输出电压 Ud 一周期内的波形是 6 个线电压的包络线，所以输出脉动直流电压频率是电源频率的 6 倍，比三相半波电路高 1 倍，脉动减小，而且每次脉动的波形都一样，故该电路又可称为 6 脉动整流电路。同理，三
48、相半波整流电路称为 3 脉动整流电路。0时， Ud 波形出现缺口 ，随着 角的增大，缺口增大，输出电压平均值降低。当=120时，输出电压为零，所以电阻性负载时， 的移相范围是 0120；当 0 60时，电流连续，每个晶闸管导通 120；当 60 120时，电流断续，每个晶闸管导通小于 120。 =60电阻性负载电流连续和断续的分界点。R Q宁夏理工学院毕业设计- 18 -1 2 3 4 5 6ABCD654321DCBATitleNumber RevisionSizeBDate: 28-Apr-2011 Sheet of File: D:My DocumentspcbMyDesign.ddb
49、Drawn By:VT1 VT3 VT5VT2VT4 VT6RTr图 3.12 三相桥式全控整流电路原理图3.5.5 双窄脉冲的形成环节电路的设计双窄脉冲触发电路:本方案是采用性能价格比优越的、每个触发单元的的一个周期内输出两个间隔 60的脉冲电路。图中 V5、V6 两个晶闸管构成一个“或”门。当 V5、V6 都导通时，U c5 约为-15V，使 V7、V8 都截止，没有脉冲输出。但只要 V5、 V6 中有一个截止，都会使 Uc5 变为正电压，使 V7、V8 导通，就有脉冲输出。所以只要适当的信号来控制 V5 或 V6 的截止（前后间隔 60） ，就可以产生符合要求的双脉冲。其中第一个脉冲由本相触发单元的 Uco 对应的控制角 所产生，使 V4 由截止变为导通造成 V5 的瞬间截止，于是 V8 输出脉冲。相隔 60的第二个脉冲是由滞后 60相位的后一相触发单元产生，在其生成第一个脉冲时刻将其信号引至本相触发单元 V6 的基极，使
