EDA技術(shù)在智能晶閘管觸發(fā)電路中的應(yīng)用

摘要：介紹了一種可編程控制數(shù)字移相晶閘管觸發(fā)電路，使用FPGA（現(xiàn)場可編程門陣列）芯片，采用VHDL硬件描述語言編程。此電路具有相序自適應(yīng)功能，穩(wěn)定性好，適用于三相全控整流、調(diào)壓場合。

關(guān)鍵詞：電子設(shè)備自動化；晶閘管；數(shù)字移相觸發(fā)；VHDL；相序自適應(yīng)

0    引言

    移相觸發(fā)器是控制晶閘管電力電子裝置的一個重要部件，其性能的優(yōu)劣直接關(guān)系到整個電力電子裝置的性能指標(biāo)，因而歷來受到人們的重視。過去常用的模擬觸發(fā)電路具有很多缺點(diǎn)，給調(diào)試和使用帶來許多不便。近年來，數(shù)字移相觸發(fā)技術(shù)發(fā)展極為迅速，出現(xiàn)了以單片機(jī)、專用微處理器以及可編程門陣列為核心的多種觸發(fā)器集成電路。本文使用ALTERA公司的EPF10K10芯片，采用VHDL語言設(shè)計了一種以全數(shù)字移相技術(shù)為核心、具有相序自適應(yīng)以及針對調(diào)壓與整流的模式識別功能的雙脈沖列式三相晶閘管數(shù)字移相觸發(fā)電路。

1    三相晶閘管相控觸發(fā)電路工作原理

    觸發(fā)電路的主要功能是根據(jù)電源同步信號以及控制信號來實現(xiàn)對晶閘管的移相控制。

    對于三相全控整流或調(diào)壓電路，要求順序輸出的觸發(fā)脈沖依次間隔60°。本設(shè)計采用三相同步絕對式觸發(fā)方式。根據(jù)單相同步信號的上升沿和下降沿，形成兩個同步點(diǎn)，分別發(fā)出兩個相位互差180°的觸發(fā)脈沖。然后由分屬三相的此種電路組成脈沖形成單元輸出6路脈沖，再經(jīng)補(bǔ)脈沖形成及分配單元形成補(bǔ)脈沖并按順序輸出6路脈沖。

2    EDA設(shè)計的實現(xiàn)

    此單元模塊包括PULSE（脈沖形成、調(diào)制及保護(hù)）模塊和PULSE_ASSIGN（補(bǔ)脈沖形成及脈沖分配）模塊。整個電路由三組相同的單相觸發(fā)脈沖形成電路組成，各相形成正負(fù)兩路觸發(fā)脈沖，6路脈沖經(jīng)補(bǔ)脈沖形成及分配模塊形成6路雙窄補(bǔ)脈沖輸出。根據(jù)同步信號a_input（或b_input，c_input）輸入的上升沿或下降沿到來時刻，采用九位計數(shù)器計數(shù)。當(dāng)計數(shù)值與pulse_input端（相位控制信號輸入端）輸入的數(shù)值相等時則輸出相應(yīng)的觸發(fā)脈沖。將外接系統(tǒng)時鐘進(jìn)行分頻作為調(diào)制脈沖對觸發(fā)脈沖進(jìn)行調(diào)制。當(dāng)保護(hù)端pulse_enable輸入為‘1’時，不輸出觸發(fā)脈沖，為‘0’時則正常輸出，以此來實現(xiàn)保護(hù)功能。基本原理框圖如圖1所示。

圖1    脈沖形成、分配、調(diào)制以及保護(hù)單元原理框圖

2.1    PULSE模塊

    此模塊完成脈沖形成、調(diào)制及保護(hù)功能。次模塊電路如圖2所示，分為4部分，即A部分將同步控制脈沖信號Syn_A轉(zhuǎn)換為正負(fù)半周同步控制電平。

圖2    PULSE模塊電路

    B部分完成移相功能。C255是255進(jìn)制的計數(shù)器，其時鐘Clk2為25kHz，計數(shù)結(jié)果通過比較器T₁及T₂與輸入相位控制信號data進(jìn)行比較。以此實現(xiàn)移相功能。

    C部分通過25進(jìn)制計數(shù)器C25實現(xiàn)脈寬形成功能。通過在線改變內(nèi)部參數(shù)還可以改變脈沖寬度。

    D部分實現(xiàn)脈寬調(diào)制功能。

    下面給出B部分VHDL硬件描述語言程序：

LIBRARY    ieee;

USE  ieee.std_logic_1164.all;

USE  ieee.std_logic_arith.all;

USE  ieee.std_logic_unsigned.all;

ENTITY  pulse  IS

PORT

    (    clk2            :  in  std_logic;

         syn_output1     :  in  std_logic;

         syn_output2     :  in  std_logic;

         pulse_data      :  in  std_logic_vector(7downto0);

         out1,out2       :  outs td_logic

    );

END pulse;

ARCHITECTURE  a  OF  pulse  IS

        signal  out1,out2:std_logic;

        signal  count1,count2:std_logic_vector(7downto0);

    BEGIN

    pulse_generator1:process(clk2)

      begin

       IF syn_output1='0'THEN

            count1<="11111110";

            out1<='0';

        elsif(clk2'eventandclk2='1')then

                count1<=count1－1;

            if(count1>pulse_data)then

                out1<='0';

            else

                out1<='1';

                count1<="00000000";

            end if;

    end if;

    END PROCESS pulse_generator1;

    pulse_generator2:process(clk2)    

        begin

          IF syn_output2='1'THEN

                count2<="11111110";

                out2<='0';

        elsif(clk2'eventandclk2='1')then

                count2<=count2－1;

                if(count2>pulse_data)then

                out2<='0';

            else

                out2<='1';

                count2<="00000000";

            end if;

         end if;

    END  PROCESS pulse_generator2;

    end  a;

2．2    PULSE_ASSIGN模塊

    此模塊完成補(bǔ)脈沖形成及脈沖分配功能。為了保證整流橋合閘后共陰極組和共陽極組各有一晶閘管導(dǎo)電，必須對兩組中應(yīng)導(dǎo)通的一對晶閘管同時發(fā)觸發(fā)脈沖。例如當(dāng)要求V_T1導(dǎo)通時，除了給V_T1發(fā)觸發(fā)脈沖外，還要同時給V_T6發(fā)一觸發(fā)脈沖；觸發(fā)V_T2時，必須給V_T1同時發(fā)一觸發(fā)脈沖等。

    補(bǔ)脈沖形成方案如下：

        out1<=in1orin6;

        out2<=in6orin3;

        out3<=in3orin2;

        out4<=in2orin5;

        out5<=in5orin4;

        out6<=in4orin1;

其中：in1，in2，in3，in4，in5，in6分別對應(yīng)PULSE模塊的A相正負(fù)脈沖，B相正負(fù)脈沖、C相正負(fù)脈沖輸出。out1，out2，out3，out4，out5，out6輸出到對應(yīng)整流電路中的1－6號晶閘管。

3    仿真及實驗結(jié)果

    為了檢驗上述設(shè)計的有效性及可行性，分別按程序軟件仿真、單相實際電路測試和三相閉環(huán)系統(tǒng)對該觸發(fā)器的性能進(jìn)行了檢驗，并取得了良好的仿真及實驗結(jié)果。

3．1    仿真結(jié)果

    應(yīng)用ALTERA公司的MAXPLUSII軟件對上述程序進(jìn)行了仿真。圖3是6路觸發(fā)脈沖電路的仿真波形。a_input，b_input及c_input分別是間隔120°的三相同步輸入信號；1，2，3，4，5，6分別是對應(yīng)1－6號晶閘管門極的觸發(fā)器輸出信號，可見該結(jié)果是比較理想的。

圖3    6路脈沖輸出仿真波形

3．2    單相實驗測試波形

    針對上述的仿真結(jié)果，組成硬件實驗電路進(jìn)行了測試。圖4給出了典型控制角時A相同步信號及其相應(yīng)的1號晶閘管觸發(fā)脈沖波形。為了使波形更清楚些，此處給出的是沒有進(jìn)行調(diào)制的觸發(fā)脈沖波形。

（a）α=0°時的波形圖

（b）α=90°時的波形圖

圖4    典型控制角的同步信號和輸出脈中的波形圖

4    在三相整流系統(tǒng)中的應(yīng)用情況

    應(yīng)用前述觸發(fā)脈沖形成電路及所編程序構(gòu)成三相晶閘管觸發(fā)器，用于三相全控整流系統(tǒng)中。所用晶閘管型號為日本三社電機(jī)公司生產(chǎn)的PK55F120，阻性負(fù)載。結(jié)果獲得輸出電壓的連續(xù)調(diào)節(jié)，調(diào)壓范圍可以從0V到額定輸出電壓510V內(nèi)調(diào)節(jié)，對應(yīng)觸發(fā)控制角α為0°～120°，實驗證明了該觸發(fā)器可以穩(wěn)定運(yùn)行，其調(diào)節(jié)輸出連續(xù)平滑，效果令人滿意。圖5中（a）與（b）分別給出了通過霍爾電壓傳感器測得的α=60°及α=0°的三相全控整流電路的輸出波形。

（a）α=60°時

（b）α=0°時

圖5    典型輸出電壓波形圖

5    結(jié)語

    綜上所述，應(yīng)用三相電源同步，以FPGA器件為核心，通過軟件在線編程的方法，可以制作成三相相序自適應(yīng)晶閘管觸發(fā)器。理論分析和仿真及實驗結(jié)果都證明了該三相觸發(fā)器設(shè)計簡單可行。這種方法使整個觸發(fā)器的功能用一片集成電路芯片實現(xiàn)，因而抗干擾能力強(qiáng)，并且硬件和軟件都十分節(jié)省，毫無疑問其在以晶閘管為主功率器件的電力電子變流設(shè)備中有廣闊的應(yīng)用前景。