單正激驅(qū)動變壓器的磁通復(fù)位問題分析

1 引言

晶閘管觸發(fā)驅(qū)動電路的作用是產(chǎn)生符合要求的門極觸發(fā)脈沖，保證晶閘管在需要的時刻由阻斷轉(zhuǎn)為導(dǎo)通[1,2]。廣義上講，晶閘管觸發(fā)電路通常包括驅(qū)動電路以及對其觸發(fā)時刻進行控制的相位控制電路。本文集中研究觸發(fā)脈沖的放大和輸出驅(qū)動環(huán)節(jié)，有關(guān)相位控制電路在有關(guān)教科書中已有討論?，F(xiàn)今晶閘管主要應(yīng)用于交流—直流相控整流和交流—交流相控調(diào)壓等，適用于這些應(yīng)用的各種驅(qū)動觸發(fā)器都已集成化、系列化。例如目前國內(nèi)生產(chǎn)的KJ系列和KC系列的晶閘管驅(qū)動(觸發(fā))器，都可供研制選用。

為保證晶閘管可靠觸發(fā)導(dǎo)通，門極的脈沖電流必須有足夠大的幅值和持續(xù)時間，以及盡可能短的電流上升時間[3]?？刂齐娐泛椭麟娐分g的隔離，通常既可以通過光耦亦可以采用脈沖變壓器來實現(xiàn)，這兩種方式各有優(yōu)缺點：光電耦合隔離時兩側(cè)的電磁干擾小，但光耦器件需要承受主電路高壓，有時還需要在SCR側(cè)有一個電源和一個脈沖放大器;采用脈沖變壓器隔離的觸發(fā)脈沖放大和驅(qū)動環(huán)節(jié)，優(yōu)點是毋需另加驅(qū)動電源，多年來一直獲得廣泛應(yīng)用[4-6]。然而，其脈沖變壓器需要采取措施防止磁芯飽和。其電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)雖然簡單，但是所涉及的電磁作用原理及磁通復(fù)位和參數(shù)設(shè)計問題，還是比較復(fù)雜的，本文就此類問題以及相關(guān)物理過程進行研究分析。

2 觸發(fā)驅(qū)動電路結(jié)構(gòu)和原理

圖1給出了基于脈沖變壓器和三極管放大器的一種常見的晶閘管觸發(fā)驅(qū)動電路，該驅(qū)動電路由V1、V2構(gòu)成的脈沖放大環(huán)節(jié)和脈沖變壓器TM及附屬電路構(gòu)成的脈沖輸出環(huán)節(jié)兩部分組成。當(dāng)開關(guān)管V1、V2導(dǎo)通時，電源電壓E2幾乎全部施加在脈沖變壓器的原邊繞組上(R2為限流電阻，一般取值很小)，通過脈沖變壓器磁耦合作用，在副邊產(chǎn)生電壓上正下負(fù)，經(jīng)VD2和R4(限流)作用于晶閘管的門極和陰極之間，輸出觸發(fā)脈沖，提供觸發(fā)電流。當(dāng)V2關(guān)斷時，由于TM原邊電流的急劇減小，其di/dt<0，由楞次定律決定其原邊產(chǎn)生下正上負(fù)的自感反電勢，致使VD1導(dǎo)通，對原邊電流形成續(xù)流通路。同時，在副邊也產(chǎn)生下正上負(fù)的電壓，由于VD2反偏，所以此時TM副邊形不成電流通路。VD3的存在，使此時輸出給門極G與陰極K之間的電壓近似為零。VD3還具有防止負(fù)脈沖和其它干擾信號影響SCR工作的效果。

圖1 常見的晶閘管觸發(fā)驅(qū)動電路

VD1和R3的作用十分重要，若該支路斷開，在V2關(guān)斷時會在TM原邊形成很高的自感反電勢，導(dǎo)致V2過壓擊穿。VD1和R3續(xù)流支路，可以使V2在關(guān)斷瞬間的集電極電位大為降低，并且R3越小，此電壓越低。

3 寬脈沖觸發(fā)問題

通常采用脈沖變壓器隔離的觸發(fā)驅(qū)動電路，是難以傳遞寬觸發(fā)脈沖的。比如，圖1驅(qū)動電路若在其V1管基極作用以如圖2(a)所示的寬脈沖信號uB1，在V2管導(dǎo)通期間，脈沖變壓器原邊電壓u1≈E2，勵磁電流i0將按照式(1) Ldi0/dt=u1 (1)

所決定的電流變化率增加(L為變壓器勵磁電感)，由于V2管持續(xù)導(dǎo)通時間過長，i0會變得很大，從而將導(dǎo)致脈沖變壓器的鐵芯磁通 飽和，除非鐵芯體積足夠大。在磁通飽和的情況下，根據(jù)法拉第電磁感應(yīng)定律u2=N2d/dt，副邊的感應(yīng)電壓u2將難以達到寬脈沖傳輸?shù)囊蟆４判镜慕孛娣e越小，越容易形成磁通飽和，則副邊所得到的u2電壓脈沖越窄，遠遠達不到輸入控制信號uB1脈沖的寬度，如圖2(a)所示。

為了改變這種情況，使副邊輸出觸發(fā)脈沖的持續(xù)時間符合輸入控制信號的要求，實際當(dāng)中往往采用對輸入寬脈沖信號進行高頻調(diào)制的脈沖列觸發(fā)方式，如圖2(b)所示。調(diào)制頻率一般在數(shù)kHz至數(shù)10 kHz范圍，這一方面可以減小脈沖變壓器鐵芯的體積，另一方面也有利于減小觸發(fā)驅(qū)動功率和提高觸發(fā)的可靠性。圖中輸入脈沖控制信號uB1的持續(xù)作用時間與圖(a)中相同，只是按一定占空比經(jīng)過了高頻調(diào)制。在每一個窄脈沖高電平期間，V2管導(dǎo)通，勵磁電流的上升率為正，i0近直線上升。在V2管關(guān)斷時，由于原邊反電勢作用使u1為負(fù)壓，由VD1和R3支路為i0提供續(xù)流通路，同時，由式(1)得知其變化率為負(fù)值，i0開始下降，其下降速度決定于負(fù)壓的大小。該負(fù)壓由i0在R3上的壓降提供(也可以用齊納穩(wěn)壓二極管來代替R3，與VD1背靠背串聯(lián))。

圖2 采用脈沖變壓器隔離的兩種晶閘管觸發(fā)驅(qū)動控制方式：(a)寬脈沖觸發(fā);(b)正常脈沖列觸發(fā);

(c)磁通不能復(fù)位對脈沖列觸發(fā)的影響

4 磁通復(fù)位及波形畸變問題

若R3取值較大，反電勢作用產(chǎn)生的u1負(fù)值也較大，可以使i0的下降速度較快。其下降速度應(yīng)保證在下一個窄脈沖到來之前，i0下降到零，從而使鐵芯磁通減小到零，通常稱為磁通復(fù)位。圖2(b)所示，為V2管關(guān)斷時的u1負(fù)值與其導(dǎo)通時的u1正值相等，均等于電源電壓E2時對應(yīng)的波形(此時V2管關(guān)斷時的集電極電位應(yīng)比電源電壓E2高出一倍)，要求此時輸入脈沖列的占空比最大不能超過50%。圖中uGK可以理解為u2經(jīng)過整流之后的波形。若R3取值較小，u1負(fù)值較小，對降低V2管所承受的集電極電壓有利，但會使i0的下降速度很慢。若脈沖列的占空比較大，在下一個窄脈沖到來時，可能i0并不能下降到零，這樣就會導(dǎo)致鐵芯磁通不能復(fù)位到零，經(jīng)過若干個窄脈沖作用之后，就會越積累越大，逐漸飽和，副邊電壓u2及SCR觸發(fā)脈沖列的幅度會逐漸變小，甚至衰減到零，如圖2(c)所示?？梢奟3的取值應(yīng)該合理地選擇，取值過大對磁通加快復(fù)位有利，但對V2管的耐壓要求提高。實際上VD1和R3就是為了V1、V2管由導(dǎo)通變?yōu)榻刂箷r，脈沖變壓器TM釋放其儲存能量而設(shè)置的。

5. 結(jié)束語

本文對采用變壓器隔離的單端正激式晶閘管驅(qū)動電路進行了分析研究，主要討論了其傳遞寬脈沖觸發(fā)存在的問題，采用高頻調(diào)制脈沖列觸發(fā)帶來的優(yōu)點，高頻調(diào)制脈沖列觸發(fā)所涉及的磁通復(fù)位、波形畸變及有關(guān)參數(shù)設(shè)計問題。

需要指出，上述有關(guān)線圈驅(qū)動及磁通復(fù)位原理的分析，在實際當(dāng)中非常有用，其應(yīng)用場合遠遠超出了晶閘管觸發(fā)驅(qū)動的范圍，比如各種微處理器、微計算機、PLC、變頻器等數(shù)字化控制系統(tǒng)與其外圍被控對象之間的繼電器接口，以及多種開關(guān)電源等等。

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作者簡介

張超(1983-)，男，山東籍，碩士，工程師，北京京儀椿樹整流器有限責(zé)任公司，主要從事電力電子及開關(guān)電源研發(fā)工作。