电力电子技术-第3章触发电路

2021/1/61电力电子技术POWERELECTRONICS扬州职业大学汽车与电气工程系**Tel：***Email:***22021/1/6绪论第1章电力电子器件第2章晶闸管可控整流电路第3章相控电路驱动控制及保护电路第4章有源逆变电路第5章无源逆变电路第6章交流调压电路第7章直流变换电路第8章电力电子技术的应用第9章电力电子装置的计算2021/1/63《电力电子技术》扬州职业大学**第三章相控电路驱动控制及保护电路32021/1/6123对触发电路的要求单结晶管触发电路同步锯齿波触发电路45集成触发电路触发脉冲的同步及误触发67晶闸管的过电压保护晶闸管的过电流保护42021/1/6要保证用于电力系统或电力设备主电路中的各种开关器件在工作过程中的安全和可靠，必须针对器件的不同性能和容量设计相应的辅助电路。包括：驱动电路、缓冲电路和保护电路。性能优良设计合理的辅助电路能使开关器件工作在较理想的开关状态，减少开关损耗，提高器件工作可靠性。52021/1/63.1对触发电路的要求SCR导通必须的外界条件：阳极加正向电压，门极加正触发信号。当SCR导通后，门极控制信号不再起作用，直到阳极电压减小或反向后，阳极电流小于维持电流，晶闸管才自行关断。因此，晶闸管的门极驱动电路又称为触发电路。触发电路的作用：为晶闸管提供适当的门极触发电压与触发电流。62021/1/6晶闸管通常采用相位控制方式。电源变流电路负载控制电路同步电路驱动电路移相控制电路同步信号相位控制信号给定信号反馈信号触发信号一般晶闸管变流电路的控制框图72021/1/6晶闸管的型号很多，其应用电路种类也很多，不同的晶闸管型号、不同的晶闸管应用电路对触发信号都会有不同的具体要求。归纳起来，晶闸管触发主要有移相触发、过零触发和脉冲列调制触发等。不管是哪种触发电路，对它产生的触发脉冲都有如下要求：1.触发信号可为直流、交流或脉冲电压。由于晶闸管触发导通后，门极触发信号即失去控制作用，为了减小门极的损耗，一般不采用直流或交流信号触发晶闸管，而广泛采用脉冲触发信号。82021/1/62.触发脉冲应有足够的功率。触发脉冲的电压和电流应大于晶闸管要求的数值，并留有一定的裕量。触发功率的大小是决定晶闸管元件能否可靠触发的一个关键指标。由于晶闸管元件门极参数的分散性很大，随温度的变化也大，为使所有合格的元件均能可靠触发，可参考元件出厂的试验数据或产品目录来设计触发电路的输出电压和电流值。92021/1/6ADEFGCBA区域为可靠触发区：当晶闸管门极施加的触发电压，电流在该范围时，所有合格元件均能可靠触发开通，则可以保证合格元件的通用性。DEKBC12GLFA032468GFMIAIGGFMUWPGM15GTIGTUVUG0GTIGTUABCGDIHIJ(a)(b)GDU晶闸管门极伏安特性图(a)为门极伏安特性区域，0D为低阻特性，0G为高阻特性。图(b)为图(a)中0ABC0的放大图形。102021/1/6DEKBC12GLFA032468GFMIAIGGFMUWPGM15GTIGTUVUG0GTIGTUABCGDIHIJ(a)(b)GDU0HIJ0区域为不触发区：当晶闸管门极施加的触发电压，电流在该范围内时，任何合格的晶闸管元件都不会被触发，从而确定了晶闸管的抗干扰性能。ABCJIHA区域为不可靠触发区：当晶闸管门极施加的触发电压，电流在该区域时，有的晶闸管可以触发开通，有的则不能触发开通。因此，触发电路产生的触发信号也不应该落在该区域中。晶闸管门极伏安特性112021/1/6(1)触发电路的触发信号必须在晶闸管门极伏安特性的可靠触发区。同时要求脉冲功率不超过允许瞬时最大功率限制线和平均功率限制线。(2)触发脉冲应具有一定的宽度，触发脉冲消失前，阳极电流应能上升至擎住电流，保证晶闸管可靠开通。122021/1/63.触发脉冲应有一定的宽度，脉冲的前沿尽可能陡，以使元件在触发导通后，阳极电流能迅速上升超过掣住电流而维持导通。普通晶闸管的导通时间约为6μs，故触发脉冲的宽度至少应有6μs以上。对于电感性负载，由于电感会抵制电流上升，因而触发脉冲的宽度应更大一些，通常为0.5～1ms。此外，某些具体的电路对触发脉冲的宽度会有一定的要求，如三相全控桥等电路的触发脉冲宽度要求大于60°或采用双窄脉冲。132021/1/64.触发脉冲必须与晶闸管的阳极电压同步，脉冲移相范围必须满足电路要求。为保证控制的规律性，要求晶闸管在每个阳极电压周期都必须在相同的控制角触发导通，这就要求触发脉冲的频率与阳极电压的频率一致，且触发脉冲的前沿与阳极电压应保持固定的相位关系，这叫做触发脉冲与阳极电压同步。不同的电路或者相同的电路在不同负载、不同用途时，要求α的变化范围（移相范围）亦即触发脉冲前沿与阳极电压的相位变化范围不同，所用触发电路的脉冲移相范围必须能满足实际的需要。142021/1/6•触发信号要有足够大的触发功率。•触发脉冲的前沿要陡，宽度要足够。一般要求：脉冲前沿t110μs，宽度电阻性负载tW=30μs左右大电感负载tW=0.5~1ms•触发脉冲应与主电路电压同步。即触发脉冲与主电压保持某种固定的相位关系，保证晶闸管在每周期都以相同的控制角α触发导通。•触发脉冲应有足够的移相范围。152021/1/6脉冲的宽度应保证晶闸管可靠导通。触发脉冲应有足够的幅度。不超过门极电压、电流和功率定额，且在可靠触发区域之内。有良好的抗干扰性能、温度稳定性及与主电路的电气隔离。IIMt1t2t3t4图3-1理想触发脉冲波形t1~t2脉冲前沿上升时间（1s）t1~t3强脉宽度IM强脉冲幅值（3IGT~5IGT）t1~t4脉冲宽度I脉冲平顶幅值（1.5IGT~2IGT）162021/1/6图3-2常见的晶闸管触发电压波形（a）为正弦波触发脉冲信号。前沿不陡，触发准确性差，仅用在触发要求不高的场合；（b）尖脉冲。生成较容易，电路简单，用于触发要求不高的场合；172021/1/6（c）矩形脉冲；（d）强触发脉冲。前沿陡，宽度可变，有强触发功能，适用于大功率场合；（e）双窄脉冲。有强触发功能，变压器耦合效率高，用于控制精度较高，感性负载的装置；（f）脉冲列。具有双窄脉冲的优点，应用广泛。182021/1/6触发电路的种类分立元件触发电路：简单触发电路单结管触发电路正弦波触发电路锯齿波触发电路集成触发器：KC04移相触发器TC787移相触发器计算机控制数字触发电路192021/1/63.2单结晶体管触发电路单结晶体管移相触发电路是一种较简单的触发电路，采用延时移相方法，主要用于小功率单相或三相半波晶闸管整流装置。发射极e第一基极b1第二基极b2202021/1/6NPPN结b1基极基极b2发射极e结构示意图eb2b1符号eb2b1rb1rb2VD等效电路低参杂高参杂3.2.1单结晶体管的结构发射极e、第一基极b1、第二基极b2，单结晶体管或双基极二极管。212021/1/6VD等效e和b1间的PN结，其正向压降VD=0.7V。Rb1表示e与b1间电阻，它随发射极电流而变，即：IE上升，Rb1下降。Rb2表示e与b2间的电阻，数值与IE无关。Rbb两基极间电阻，Rbb=Rb1+Rb2。称为分压比，一般在0.3~0.8之间。bbb1RRa）1b2bRe2b1bR2b1beAVDb）单结晶体管图形符号和等效电路222021/1/62.单结晶体管工作原理①当Q1断开，Q2闭合时外加基极电压Ubb由Rb1、Rb1分压，A点对b极电压为：BBBBbbbAVVrrrU211232021/1/6②当Q1闭合，Q2断开时（外加基极电压Ubb=0）1Seb断开时，和间构成一个普通二极管，其伏安特性与普通二极管相似；242021/1/6eb2b1rb1rb2DReVEEVBBb1+UEIE测试电路A③当Q1、Q2均闭合时当UE为零时，二极管承受反向电压ABBUVIE为二极管的反向电流当UE=UA时，IE=0若UE继续增大使PN结正向偏置，则IE变为正向电流252021/1/6eb2b1rb1rb2DReVEEVBBb1+UEIE测试电路A当UE增大到UP，单结晶体管进入负阻工作区IE的增加只受输入回路外部电阻的限制截止条件：输入回路开路或IE很小262021/1/6指发射极电压Ue与发射极电流Ie之间的关系曲线。即Ie=f（Ue）三个工作区：截止区、负阻区、饱和区•单结管的导通条件：Ue≥UP（峰点电压）DbbDbb2b1b1bPUUUURRRU•单结管的关断条件：UeUV•单结管具有负阻特性，即ΔUe/ΔIe0+-UeIeUbb3.伏安特性272021/1/6(1)截止区，当UEUA+UDEb1b2DRb2Rb1AREUEUBBEEIEUA=Rb1UBBRb1Rb2+=UBBPN结反偏，IE很小当UE增加到PN结导通的峰点电压UP，单结晶体管将进入导通状态。UVUEUpVIEIV截止区负阻区饱和区PIP282021/1/6UVUEUpVIEIV截止区负阻区饱和区PIP(2)负阻区，当UEUPPN结导通，IE显著增加，同时UE下降。由于RB1随着PN结导通急剧下降，故分压比也下降，又引起维持PN结导通的UE进一步下降。形成正反馈，一直达到谷点V。这段曲线表现出负阻特性。292021/1/6Eb1b2DRb2Rb1AREUEUBBEEIEVA=Rb1UBBRb1Rb2+=UBBUVUEUpVIEIV截止区负阻区饱和区PIP(3)饱合区当IEIV后RB1不再下降，随IE增加UE缓慢上升。动态电阻为正值。302021/1/6单结晶体管的伏安特性（1）当UEUP时，单结晶体管截止，P点称为峰点，UP为峰点电压，IP为峰点电流。（2）当UEUP时，单结晶体管导通，IE迅速增大，UE减小，进入负阻区。（3）当UEUV时，单结晶体管由导通恢复到截止状态，V点称为谷点，UV为谷点电压，IV为谷点电流。峰点P和谷点V是单结晶体管的特殊点，UEUP时导通，UEUV时截止。312021/1/6EDRB2RB1AREUEUBBEEUEUpUVVIEIV截止区负阻区饱和区PIPIE2.当发射结电压UE≥UP时,单结晶体管导通；若管子导通后UEUV时,单结晶体管截止。1.在点P、V之间,单结晶体管呈现负阻特性。结论B1B2322021/1/63.2.2自激振荡电路1.电路组成E的作用充电为电容提供单结管CUbb2.工作原理•接通电源后，C先充电。使uc↑。•当uc↑=UP时，单结管导通，C放电，使uc↓•当uc↓=UV时，单结管截止，C再充电。重复以上过程。充电放电设uc(0)=0332021/1/6利用单结晶体管的负阻特性和RC电路的充放电特性，可以组成单结晶体管自激振荡电路。(1)当合上开关S后，电源通过R1、R2加到单结管的两个基极上，同时又通过Rp向电容器C充电，uC按指数规律上升。在uC（uC=uE）UP时，单结管截止，R1两端输出电压近似为0。当uC达到峰点电压UP时，单结管的E、B1极之间突然导通，电阻RB1急剧减小，电容上的电压通过RB1、R1放电，由于RB1、R1都很小，放电很快，放电电流在R1上形成一个脉冲电压uO。当uC下降到谷点电压UV时，E、B1极之间恢复阻断状态，单结管从导通跳变到截止，输出电压uO下降到零，完成一次振荡。342021/1/6eRUSoUCV1R单结晶体管弛张振荡电路及波形eCR该电路产生振荡的条件是：在充电过程中，电容充电电压可达到峰点电压；在放电过程中，发射极电流可低于谷点电流。该条件主要靠合理选择来实现。eVPePVRUUUURII满足振荡条件的取值为：cUPUVUt0oUt0352021/1/6RR2R1CuGUBB电阻R2的作用是温度补偿。无R2时，若温度升高，则二极管的正向电压降降低，单结晶体管的峰点电压Up也就随之下降，导致振荡频率f不稳定。有R2时，若温度升高，则RBB增加，进而使UBB增加。峰点电压