基于专用芯片TC787的三相六脉冲晶闸管触发板的研制

1基于专用芯片TC787的三相六脉冲晶闸管触发板的研制苏州大学机电工程学院吴坚张茂青胡庆何秦强陈德炯(电子工程师187/E157)摘要:本文介绍了以TC787专用集成电路为核心的三相六脉冲晶闸管触发板的设计和调试，对TC787专用集成电路的性能特点、工作原理和使用注意事项也作了简要介绍。关键词：TC787晶闸管触发电路一、引言TC787是参照国外最新集成移相触发集成电路而设计的单片专用集成电路。它可单电源工作，亦可双电源工作，适用于三相晶闸管移相触发，它是目前国内外市场上广泛使用的TCA785及KJ（或KC）系列移相触发集成电路的换代产品，与TCA785及KJ（或KC）系列移相触发集成电路相比，具有功耗小、功能强、输入阻抗高、抗干扰性能好、移相范围宽、外接元件少等优点。只需要一块这样的集成电路，就可以完成三块TCA785与一块KJ041、一块KJ042或五块KJ（三块KJ004、一块KJ042、一块KJ041、或KC）系列器件组合才能具有的三相移相功能。因此TC787可广泛应用于三相全控、三相半控、三相过零等电力电子、机电一体化产品的移相触发系统，从而取代TCA785、KJ009、KJ004、KJ041、KJ042等同类电路，可提高触发板的可靠性、缩小体积和降低成本。二、TC787基本结构及其工作原理1.基本参数和特点电路单双源均可工作，单电源8V-18V，双电源±4V～±9V。三相触发脉冲调相角可在0-180°之间连续同步改变。识别零点可靠，可方便地用作过零开关。器件内部设计有交相锁定电路，抗干扰能力强。可用于三相全控触发（6脚接VDD），也可用于三相半控触发（6脚接地）。电路具有输出保护禁止端，可在过流过压时保护系统安全。TC787输出为调制脉冲列，适用于触发晶闸管及感性负载。A型器件典型应用于同步信号为50Hz，B型器件典型应用于同步信号为400Hz。调制脉冲或方波的宽度可根据需要通过改变电容Cx而选择。（1）TC787适用于主功率器件是晶闸管的三相全控桥或其他拓扑电路结构的系统中作为功率晶闸管的移相触发电路。它可同时产生六路相序互差60°的输出脉冲。（2）TC787在单双电源下均可工作，使其适用电源的范围较广泛。输出三相触发脉2冲的触发控制角可在0～180°范围内之间连续同步改变。对零点的识别可靠，使它也可作为过零开关使用。器件内部设计有移相控制电压与同步锯齿波电压交点（交相）的锁定电路，抗干扰能力强。电路自身具有输出禁止端，使用户可在过电流、过电压时进行保护，保证系统安全。（3）TC787具有A型及B型器件，使用户可方便地根据自己应用系统所需要的工作频率来选择（工频时选A型器件，中频100～400Hz时选B型器件）。TC787输出为脉冲列，适用于触发晶闸管及感性负载.（4）TC787可方便地通过改变引脚6的电平高低来设置其输出为双脉冲还是单脉冲。2.引脚排列、功能和用法TC787是一标准双列直插式18引脚的集成电路。它的引脚排列见图1，引脚的名称、功能及用法如下。图1TC787的引脚排列（1）同步电压输入端：引脚1（Vc）、引脚2（Vb）及引脚18（Va）分别为三相同步输入电压连接端，应用中分别经输入滤波后的同步电压，同步电压的峰峰值应不超过TC787或TC788的工作电源电压VDD。（2）脉冲输出端：在半控单脉冲工作模式下，引脚8（C）、引脚10（B）、引脚12（A）分别为与三相同步电压正半周对应的同相触发脉冲输出端，而引脚7（－B），引脚9（－A），引脚11（－C）分别为与三相同步电压负半周对应的反相触发脉冲输出端。当TC787被设置为全控双窄脉冲工作方式时（双窄脉冲相隔60°），引脚8为与三相3同步电压中C相正半周及B相负半周对应的两个脉冲输出端；引脚11为与三相同步电压中C相负半周及B相正半周对应的两个脉冲输出端；引脚9为与三相同步电压中A相同步电压负半周及C相电压正半周对应的两个脉冲输出端；引脚7为与三相同步电压中B相电压负半周及A相正半周应的两个脉冲输出端；引脚10为与三相同步电压中B相电压正半周及A相负半周对应的两个脉冲输出端。（3）控制端1）引脚5（Pi）为输出脉冲禁止端。该端用来进行故障状态下封锁TC787的输出，高电平有效，应用中接保护电路的输出。2）引脚14（Cb）、引脚15（Cc）、引脚16（Ca）分别为对应三相同步电压的锯齿波电容值的大小决定了移相锯齿波的斜率及幅值，应用中分别通过一个相同容量的电容接地。3）引脚6（Pc）为TC787工作方式设置端。当该端接到电平时，TC787输出双脉冲；而当该端接低电平时，输出单脉冲。4）引脚4（Vr）为移相控制电压输入端。该端输入电压的高低，决定了TC787输出脉冲的移相角，应用中接给定环节的输出，其电压幅值最大为TC787的工作电源电压Vdd。5）引脚13（Cx）。该端连接的电容Cx的容量决定着TC787输出脉冲的宽度，电容的容量越大，则脉冲宽度越宽。（4）电源端该芯片可单电源工作，亦可双电源工作。单电源工作时引脚3（Vss）接地，而引脚17（VDD）允许施加的电压为8～18V。双电源工作时，引脚3（Vss）接负电源，其允许施加的电压幅值为－4～－9V，引脚17（VDD）接正电源，允许施加的电压为＋4～＋9V。3.内部结构及工作原理简介TC787的原理框图见图2。4图2TC787原理框图由图可见，在它们内部集成了三个过零和极性检测单元、三个锯齿波形成单元、三个比较器、一个脉冲发生器、一个抗干扰锁定电路、一个脉冲形成电路、一个脉冲分配及驱动电路。它们的工作原理可简述如下：经滤波后的三相同步电压通过过零和极性检测单元检测出零点和极性后，作为内部三个恒流源的控制信号。三个恒流源输出的恒值电流给三个等值电容Ca、Cb、Cc恒流充电，形成良好的等斜率锯齿波。锯齿波形成单元输出的锯齿波与移相控制电压Vr比较后取得交相点经集成块内部的抗干扰锁定电路锁定，保证交相唯一而稳定，使交相点以后的锯齿波后移相电压的波动不影响输出。该交相信号与脉冲发生器输出的脉冲（TC787为调制脉冲）信号经脉冲形成电路处理变为三相输入同步信号相位对应且与移相电压大小适应的脉冲信号送到脉冲分配及驱动电路。假设系统未发生过电流、过电压后其他非正常情况，则引脚5禁止端的信号无效，此时脉冲分配电路根据拥护在引脚6设定的状态完成双脉冲（引脚6为高电平）或单脉冲（引脚6为低电平）的分配功能，并经输出驱动电路功率放大后输出，一旦系统发生过电流、过电压或其他非正常情况，则引脚5禁止信号有效，脉冲分配及驱动电路内部的逻辑电路动作，封锁脉冲输出，确保集成块12、11、10、9、8、7六个引脚输出全为低电平。55、元件选择注意事项①、在同步信号为50HZ时，电容Ca、Cb、Cc建议采用0.15μF电容，相对误差小于5%，以锯齿波线性好，幅度大，不平顶为宜，幅度小可减小电容值，产生平顶则增大电容值。②、电容Cx决定调制脉冲或输出方波的宽度，用0.01μF电容，脉冲宽度约为1mS。③、在同步信号为50HZ的情况下，如希望输出调制脉冲或方波在0～80°范围满幅可调，则Cx的值应大于0.1μF。三、三相六脉冲晶闸管触发板的设计与调试由TC787构成的三相六脉冲晶闸管触发板原理框图如图3所示。该装置可分成直流稳压电源、触发器和主电路三部分。稳压电源由整流桥、7815和7915组成,可提供给TC787的15V工作电压和脉冲变压器的24V电压。触发器为一块TC787和少量外接元件组成。其三相同步信号A，B，C从电位器W1，W2，W3经RCT型网络滤波,产生30°的相位移。电位器W1，W2，W3可微调各相电压的相位,以保证同步信号与主系统的适配。同步电压取30V。TC787为单电源供电且同步电压的零点为1/2电源电压，将同步电压Va，Vb，Vc输入电路的18，2，1脚。Ca,Cb,Cc为积分电容。改变电容值,可改变锯齿波的斜率。Cx决定脉冲宽度。6图3三相六脉冲晶闸管触发板原理框图调节4号脚输入电压使移相电压在(0～12)V之间连续变化,其输出脉冲应在0°～180°之间变化。Kk为输出控制开关。拨动Kk,可方便地选择全控双脉冲输出或半控单脉冲输出。7～12脚的输出端有大于25mA的输出能力,采用6只驱动管扩展电流,经脉冲变压器隔离后将脉冲接到晶闸管的控制极（G）和阴极（K）之间，以触发晶闸管。完整的电路图如图4所示。标有脉冲变压器组的框体中有6个如图5所示的隔离及释放电路。T6TRANS1D31DIODED32DIODER16RES2D78LEDD351N4007D361N4007R17RES2R18160C60.047+24Vg1K1G1D34IN4742D33IN4742图5脉冲变压器构成的隔离及释放电路7W110kW210kW310kC51uC61uC71ur362kR462kR562kR651kR751kR851kR920kR1020kR1120kR1220kR13220kR1420kR15220kR1620kR17220k123456789101112131415161718TC787APCA0.15uCC0.15uCB0.15uCX4700p-15V+15VA同步B同步C同步C810uC910uC1010uVin1GND2+15V3U?7815Vin2GND1-15V37915D1DIODED2DIODED3DIODED4DIODEC1470u/35vC2470u/35vAC18AC18C3220uC4220uR1100R2100T1NPNT2NPNT3NPNT4NPNT5NPNT6NPND5DIODED6DIODED7DIODED8DIODED9DIODED10DIODEC110.1uD17DIODER30220kR31R3210ks控制端kuR182kR192kR202kR212kR222kR232kD182CW23+24VT7NPNT8NPNT9NPNT10NPNT11NPNT12NPND11DIODED12DIODED13DIODED14DIODED15DIODED16DIODER242kR252kR262kR272kR282kR292kDLL输出2DLL输出1脉冲变压器组脉冲变压器组图4完整的电路图8图5中使用了2个IN4742（12V）稳压管串联。其作用是当开关管关断时，脉冲变压器原边感应出高于24V电压时其释放回路有一动态电阻限流。在实际使用过程中我们发现锯齿波形成环节是保证整流输出电压波形稳定的重要条件。由于TC787芯片的锯齿波的线性、幅度由Ca,Cb,Cc电容决定，因此为了保证锯齿波有良好的线性及三相锯齿波斜率的一致性，选择Ca,Cb,Cc时要求其3个电容值的相对误差要非常小（必须进行筛选），以产生的锯齿波线性好、幅度大且不平顶为宜,Ca、Cb、Cc电容量的参考值为0.15μF。若要求锯齿波幅度小,可减小Ca、Cb、Cc电容值；若要求锯齿波产生平顶,则增大Ca、Cb、Cc电容值。脉冲宽度是由Cx电容来决定的。当Cx为0.01μF时,所产生的脉冲宽度约为1ms。若需加大或减小脉宽,可增大或减小Cx电容值。本触发板中Cx电容值为4700P。在调试过程中，首先接上直流电源，不加三相同步电压，此时，测量18脚，1脚，2脚的直流电平是否近似相等，参考值为18伏左右。然后加上同步电压，调整电位器W1，W2，W3使18脚、1脚、2脚的三相同步电压对称，并且使18脚、1脚、2脚的同步信号滞后同步变压器付边相应同步信号30°，最后检查6个输出引脚是否互差60°的脉冲信号输出。四、结束语我们在某一电机调速柜上采用了该触发板，在使用过程中发现，TC787单片三相移相控制电路具有设计合理、使用灵活方便、可靠性高等特点。以TC787单片三相移相控制电路为核心的三相六脉冲晶闸管触发板使用外接元件少,因此整板的故障率大大减少。由于它采用了同步电压滤波电路，增强了其抗干扰能力。参考资料：[1]、谭建成主编电机控制专用集成电路机械工业出版社1997年8月[2]、黄俊主编电力电子变流技术（第3版）机械工业出版社19