电路电子——晶闸管的触发电路设计

晶闸管的触发电路相控电路晶闸管可控整流电路，通过控制触发角a的大小即控制触发脉冲起始相位来控制输出电压大小。相控电路的驱动控制为保证相控电路的正常工作，很重要的一点是应保证按触发角a的大小在正确的时刻向电路中的晶闸管施加有效的触发信号。晶闸管相控电路，习惯称为触发电路。对于触发电路的基本要求：触发信号的形式：常用脉冲信号，如图1触发信号的触发功率：要求脉冲必须具有足够的功率，且不超过晶闸管门极最大允许功率触发脉冲的宽度：要求脉冲要具有一定的宽度，前沿要陡触发脉冲的移相范围：要求能满足主电路移相范围的要求触发脉冲与主电路的相位关系：要求触发电路必须与晶闸管的主电压保持同步其它。正弦波尖脉冲方脉冲强触发脉冲脉冲序列图1常见的触发脉冲电压波形常见的触发脉冲电压波形如下：触发电路通常以组成的主要元件名称分类，可分为：单结晶体管触发电路、晶体管触发电路、集成电路触发器、计算机控制数字触发电路等。单结晶体管触发电路只用于控制精度要求不高的单相晶闸管系统。晶体管触发电路按同步电压的形式不同，分为正弦波和锯齿波两种。晶闸管触发电路的基本环节：同步环节、触发脉冲的形成与放大环节、触发移相环节、触发脉冲的输出环节晶闸管的触发电路一、单结晶体管触发电路二、同步电压为锯齿波的触发电路三、集成触发电路小结1、单结晶体管单结晶体管的结构、图形符号及等效电路如图所示。一、单结晶体管触发电路图2单结晶体管(a)结构示意(b)等效电路(c)图形符号(d)外形及管脚Ue＜UA：PN结反偏置，只有很小的反向漏电流Ue=UA：Ie＝０，特性曲线与横坐标交点ｂ处Ue上升：Ue＝UP＝ηUbb＋UD，单结晶体管导通，该转折点称为峰点PbbbbbbbAUUrrrU121分压比IP图3单结晶体管伏安特性(a)单结晶体管实验电路(b)单结晶体管伏安特性截止区（ap段）Ue＞UP：Ie增大，rb1急剧下降，UA达到最小，Ue也最小，达到谷点V负阻区（PV段）达到UV后，单结晶体管处于饱和导通状态饱和区（VN段）图4单结晶体管伏安特性(a)单结晶体管实验电路(b)单结晶体管伏安特性2、单结晶体管自激振荡电路1.电源接通：E通过Re对C充电，时间常数为ReC2.Uc增大，达到UP，单结晶体管导通，C通过R1放电3.Uc减少，达到Uv，单结晶体管截止，ｕR1下降，接近于零4.重复充放电过程5.1单结晶体管触发电路Re的值不能太大或太小，满足电路振荡的Re的取值范围VVePPIUERIUE图5单结晶体管自激振荡电路为了防止Re取值过小电路不能振荡，一般取一固定电阻r与另一可调电阻Re串联，以调整到满足振荡条件的合适频率。若忽略电容C放电时间，电路的自激振荡频率近似为：一、单结晶体管触发电路电路中R1上的脉冲电压宽度取决于电容放电时间常数。R2是温度补偿电阻，作用是保持振荡频率的稳定。11ln11CRTfe3、具有同步环节的单结晶体管触发电路一、单结晶体管触发电路图6晶体管同步触发电路注意：每周期中电容C的充放电不止一次，晶闸管由第一个脉冲触发导通，后面的脉冲不起作用。改变Re的大小，可改变电容充电速度，达到调节α角的目的。削波的目的：增大移相范围，使输出的触发脉冲的幅度基本一样。一、单结晶体管触发电路实际应用中，常用晶体管Ｖ2代替电位器Re，以便实现自动移相。TP：脉冲变压器，实现触发电路与主电路的电气隔离。恒流源一、单结晶体管触发电路图7单结管触发电路其它形式单结晶体管触发电路简单，输出功率较小，脉冲较窄，虽加有温度补偿，但对于大范围的温度变化时仍会出现误差，控制线性度不好。参数差异较大，对于多相电路的触发时不易一致。因此单结晶体管触发电路只用于控制精度要求不高的单相晶闸管系统。一、单结晶体管触发电路二、同步电压为锯齿波的触发电路晶闸管的电流容量越大，要求的触发功率越大。对于大中电流容量的晶闸管，为了保证其触发脉冲具有足够的功率，往往采用由晶体管组成的触发电路。晶体管触发电路按同步电压的形式不同，分为正弦波和锯齿波两种。同步电压为锯齿波的触发电路，不受电网波动和波形畸变的影响，移相范围宽，应用广泛。二、同步电压为锯齿波的触发电路输出可为双窄脉冲（适用于有两个晶闸管同时导通的电路），也可为单窄脉冲。三个基本环节：同步环节、锯齿波的形成和脉冲移相、脉冲的形成与放大。此外，还有强触发和双窄脉冲形成环节。图8同步电压为锯齿波的触发电路1)同步环节同步——要求触发脉冲的频率与主电路电源的频率相同且相位关系确定。二、同步电压为锯齿波的触发电路2)锯齿波的形成和脉冲移相环节锯齿波电压形成的方案较多，如采用自举式电路、恒流源电路等；本电路采用恒流源电路。恒流源电路方案，由V1、V2、V3和C2等元件组成V1、VS、RP2和R3为一恒流源电路图8同步电压为锯齿波的触发电路二、同步电压为锯齿波的触发电路锯齿波是由开关V2管来控制的。V2开关的频率就是锯齿波的频率——由同步变压器所接的交流电压决定。V2由导通变截止期间产生锯齿波——锯齿波起点基本就是同步电压由正变负的过零点。V2截止状态持续的时间就是锯齿波的宽度——取决于充电时间常数R1C1。二、同步电压为锯齿波的触发电路3)脉冲形成放大环节V4、V5—脉冲形成V7、V8—脉冲放大控制电压uco加在V4基极上图8同步电压为锯齿波的触发电路220V36V+BTP+15VAVS+15V-15V-15VXY接封锁信号RQutsVD1VD2C1R2R4TSV2R5R8R6R7R3R9R10R11R12R13R14R16R15R18R17RP1ucoupC2C3C3C5C6C7R1RP2V1I1cV3V4V6V5V7V8VD4VD10VD5VD6VD7VD9VD8VD15VD11~VD14脉冲前沿由V4导通时刻确定，脉冲宽度与反向充电回路时间常数R11C3有关。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。二、同步电压为锯齿波的触发电路4)双窄脉冲形成环节内双脉冲电路V5、V6构成“或”门当V5、V6都导通时，V7、V8都截止，没有脉冲输出。只要V5、V6有一个截止，都会使V7、V8导通，有脉冲输出。第一个脉冲由本相触发单元的uco对应的控制角产生。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（通过V6）。二、同步电压为锯齿波的触发电路双窄脉冲形成由V5、V6形成门电路产生间隔60的双窄脉冲。（如三相全桥触发电路）12XYXY34XYXY56XYXY只要V5、V6中有一个截止，V7、V8就导通，有脉冲输出。各点电压波形如图9所示。图9锯齿波触发电路各点电压波形图8同步电压为锯齿波的触发电路注意问题如何调UC及-Ub？调斜率一致，使脉冲间隔一致斜率要适中斜率太高：要使在规定范围内变化，UC-Ub的变化量较大斜率太低：无交点，无法触发三、集成触发电路集成触发电路具有可靠性高，技术性能好，体积小，功耗低，调试方便等优点。晶闸管触发电路的集成化已逐渐普及，已逐步取代分立式电路。KJ004(KC04)与分立元件的锯齿波移相触发电路相似,分为同步、锯齿波形成、移相、脉冲形成、脉冲分选及脉冲放大几个环节。图10KJ004电路原理图1112161151413943578R23+15V+15V+15VRP1R24R2R20RP4R5R1R3R4R6R7R8R12R10R11R14R19R13R25R26R27R28R20R22R16R17R21R18R15V3V2V1V18V19V20V4V5V6V12V13V14V15V16V9V10V11V8V7V17VS5VS1VS2VS3VS4VS6VS7VS8VS9VD1VD2VD3VD4VD5VD6VD7C1C2ubucous图11KC04电路原理图16脚：接+15V电源7脚：接地8脚：接同步电压4脚：形成锯齿波9脚：锯齿波、Ub、UC综合比较输入1脚和15脚：输出脉冲98107116125134143152161+15VUSUO-15V接4脚+15VUC图12KC04各点波形三、集成触发电路完整的三相全控桥触发电路3个KJ004（KC04）集成块和1个KJ041（KC41C）集成块，可形成六路双脉冲，再由六个晶体管进行脉冲放大即可。usa1234567111091413128161512345671110914131281615KJ004KJ004-15V+15V12345671110914131281615KJ004RP6RP3(1~6脚为6路单脉冲输入)12345671110914131281615KJ041(15~10脚为6路双脉冲输出)至VT1usbuscupucoR19R13R20R14R21R15R9R3R6R18R8R2R5R17R7R1R4R16R10R11R12C7C4C1C8C5C2C9C6C3RP4RP1RP5RP2至VT2至VT3至VT4至VT5至VT6图12三相全控桥整流电路的集成触发电路图KC41C六路双脉冲形成器及波形小结晶闸管的导通控制信号由触发电路提供，触发电路的类型按组成元件分为：单结晶体管触发电路、晶体管触发电路、集成触发电路和计算机数字触发电路等。单结晶体管触发电路结构简单，调节方便，输出脉冲前沿陡，抗干扰能力强，对于控制精度要求不高的小功率系统，可采用单结晶体管触发电路来控制；对于大容量晶闸管一般采用晶体管或集成电路组成的触发电路。计算机数字触发电路常用于控制精度要求较高的复杂系统中。各类触发电路有其共同特点，一般由同步环节、移相环节、脉冲形成环节和功率放大输出环节组成。