PWM脈沖控制的晶閘管觸發(fā)裝置

陳 歡，凌 云，李 飛，彭瓊林

（湖南工業(yè)大學(xué) 電氣與信息工程學(xué)院，湖南 株洲 412007）

PWM脈沖控制的晶閘管觸發(fā)裝置

陳 歡，凌 云，李 飛，彭瓊林

（湖南工業(yè)大學(xué) 電氣與信息工程學(xué)院，湖南 株洲 412007）

為解決傳統(tǒng)晶閘管觸發(fā)裝置的一系列問題，設(shè)計(jì)了一種新型PWM脈沖控制的晶閘管觸發(fā)裝置。該裝置由5個(gè)部分構(gòu)成：晶閘管雙向電子開關(guān)、負(fù)載、過零脈沖產(chǎn)生及直流穩(wěn)壓?jiǎn)卧?、觸發(fā)信號(hào)產(chǎn)生單元、控制信號(hào)給定單元。雙向晶閘管作為雙向電子開關(guān)，CMOS非門作為移相控制單元的核心器件，其閾值電壓直接作為觸發(fā)基準(zhǔn)電壓，利用PWM信號(hào)進(jìn)行移相控制。測(cè)試結(jié)果表明，該裝置具有較好的抗干擾性能和良好的移相控制線性度，且成本低，體積小，工作穩(wěn)定可靠。

PWM；移相觸發(fā)脈沖；晶閘管；觸發(fā)器

0 引言

隨著電力電子和電源技術(shù)的發(fā)展，以及應(yīng)用場(chǎng)合的多元化，對(duì)晶閘管觸發(fā)的控制提出了更高的要求?，F(xiàn)有的方案存在諸多限制，已無法滿足多元化應(yīng)用需求。傳統(tǒng)模擬觸發(fā)器中，器件參數(shù)較為分散，調(diào)試和使用不便，可靠性差。傳統(tǒng)數(shù)字觸發(fā)器采用微控制器作為控制核心，功能強(qiáng)，但其價(jià)格高。三相全橋可控硅焊接電源主回路的數(shù)字觸發(fā)電路，采用DSP（digital signal processor）作為觸發(fā)器的控制器，具有高速數(shù)據(jù)處理能力，但電路復(fù)雜，通用性不足。微處理機(jī)控制的智能觸發(fā)器，采用微處理機(jī)設(shè)計(jì)智能觸發(fā)器，電路簡(jiǎn)單，但只能作為金屬鹵化物燈、高壓鈉燈、高壓汞燈的照明控制智能觸發(fā)器。晶閘管控制觸發(fā)電路，采用單片機(jī)作為觸發(fā)器的控制核心，但電路不能進(jìn)行移相控制。晶閘管數(shù)字觸發(fā)器，采用CPLD（complex programable logic device）作為觸發(fā)器的控制核心，同步信號(hào)采用光耦器件直接獲取，加在光耦器件發(fā)光二極管及限流電阻上的是正弦波電壓，但移相控制的起始同步點(diǎn)不精確。雙向晶閘管觸發(fā)電路，采用PWM（pulse width modulation）作為輸入移相控制信號(hào)，電路簡(jiǎn)單，成本低，但使用觸發(fā)二極管作為觸發(fā)比較器件，移相角小時(shí)，最小移相角不易控制，移相角大時(shí)，觸發(fā)穩(wěn)定性差。針對(duì)上述問題，本文提出采用CMOS（complementary metal oxide semiconductor）非門作為移相控制的核心器件。該觸發(fā)裝置成本低，體積小，穩(wěn)定性較好。

1 觸發(fā)電路的組成

PWM脈沖控制的晶閘管觸發(fā)裝置如圖1所示。該觸發(fā)裝置由負(fù)載、晶閘管雙向電子開關(guān)、過零脈沖產(chǎn)生及直流穩(wěn)壓?jiǎn)卧⒂|發(fā)信號(hào)產(chǎn)生單元、控制信號(hào)給定單元構(gòu)成，其輸入電源為220V的單相交流電源。

圖1 觸發(fā)裝置電路原理圖Fig.1 The schematic diagram of trigger circuit

1.1 晶閘管雙向電子開關(guān)

構(gòu)成雙向電子開關(guān)單元有2種方案：1）使用一個(gè)雙向晶閘管V0（見圖1）；2）由2個(gè)單向晶閘管和2個(gè)二極管組成背靠背電路，如圖2所示。

圖2 晶閘管雙向電子開關(guān)單元的第二種方案電路原理圖Fig.2 The schematic diagram of second program for thyristor bidirectional electronic switch unit

1.2 過零脈沖產(chǎn)生及直流穩(wěn)壓?jiǎn)卧?/p>

過零脈沖產(chǎn)生及直流穩(wěn)壓?jiǎn)卧ㄕ鳂?、過零脈沖產(chǎn)生電路、直流穩(wěn)壓電路3個(gè)部分。整流橋由二極管D3, D4, D5, D6構(gòu)成。過零脈沖產(chǎn)生電路由電阻R1, R2和穩(wěn)壓管DW1組成。電阻R1, R2串聯(lián)后，再并聯(lián)至整流電壓輸出端， R1, R2的連結(jié)點(diǎn)7引出至過零脈沖信號(hào)輸出端P0。直流穩(wěn)壓電路由二極管D7、電容C1、電阻R3、穩(wěn)壓管DW2組成。該電路作為輔助電源為非門供電。

1.3 觸發(fā)信號(hào)產(chǎn)生單元

由過零脈沖產(chǎn)生電路產(chǎn)生的過零脈沖信號(hào)，經(jīng)輸出端P0輸入至過零脈沖信號(hào)輸入端P0。觸發(fā)信號(hào)產(chǎn)生單元由非門F1, F2, F3，三極管T1，二極管D8, D9, D10，電容C2，電阻R4, R5, R6, R7, R8，移相型光電隔離觸發(fā)驅(qū)動(dòng)器M1組成。移相型光電隔離觸發(fā)驅(qū)動(dòng)器M1采用MOC3023光耦器，其內(nèi)部包括發(fā)光二極管LED1、光控雙向晶閘管。

1.4 控制信號(hào)給定單元

移相控制電壓輸出端UK與觸發(fā)信號(hào)產(chǎn)生單元的移相控制電壓輸入端UK連接?？刂菩盘?hào)給定單元由開關(guān)型光電耦合器M2，電阻R9, R10, R11及非門F4組成。開關(guān)型光電耦合器M2的型號(hào)為4N25，它由發(fā)光二極管LED2和光控三極管構(gòu)成。

1.5 非門

非門電路的型號(hào)為CD4069，是一個(gè)由4個(gè)非門F1, F2, F3, F4集成的CMOS電路。該電路由+9V穩(wěn)壓電源供電。

2 觸發(fā)電路的工作原理

PWM控制信號(hào)經(jīng)光電耦合器隔離，轉(zhuǎn)換成移相控制電壓，調(diào)節(jié)雙向晶閘管的導(dǎo)通角，利用過零脈沖信號(hào)決定移相控制的起點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)PMW脈沖控制。

2.1 過零脈沖信號(hào)

利用二極管橋式整流電路，將交流電壓轉(zhuǎn)換成直流電壓。直流電壓經(jīng)電阻R1, R2分壓，R2的電壓作為過零脈沖信號(hào)P0，并被穩(wěn)壓管DW1限幅穩(wěn)壓為+9V。過零脈沖信號(hào)P0作為負(fù)脈沖同步信號(hào)，其上升沿作為觸發(fā)裝置移相控制的起點(diǎn)。改變負(fù)脈沖的寬度，可實(shí)現(xiàn)最小移相控制角的控制。當(dāng)增大R1或減小R2的阻值時(shí)，會(huì)減小分壓電路的分壓比，使負(fù)脈沖的寬度變寬，增大最小移相控制角；反之，若增大分壓電路的分壓比，可減小最小移相控制角。

2.2 直流工作電源

整流電壓經(jīng)二極管D7隔離后，通過大電容C1濾波，然后經(jīng)電阻R3限流，并由DW2穩(wěn)壓后，得到穩(wěn)定的+9V直流電壓。該直流電壓作為輔助直流工作電源，為觸發(fā)信號(hào)產(chǎn)生單元、控制信號(hào)給定單元供電。

2.3 移相控制原理

非門F3的輸入電壓為電容C2的電壓與移相控制電壓UK的疊加值，疊加比例由電阻R4和電阻R6的比值決定。

交流電源過零時(shí)，雙向電子開關(guān)截止，且將過零脈沖信號(hào)P0置為低電平；經(jīng)非門F1, F2整型穩(wěn)壓后，F(xiàn)2輸出低電平，二極管D8導(dǎo)通，電容C2經(jīng)D8迅速放電，電容電壓被鉗制在一個(gè)較小的初始值；F3輸入低電平、輸出高電平，這使得觸發(fā)驅(qū)動(dòng)器M1內(nèi)部的發(fā)光二極管LED1和光控雙向晶閘管截止，無觸發(fā)信號(hào)輸出。

交流電源過零后，過零脈沖信號(hào)變?yōu)楦唠娖?，F(xiàn)2輸出高電平，二極管D8截止。三極管T1，電阻R5，二極管D9, D10組成恒流源，對(duì)電容C2充電，C2的電壓線性增加[4-7]。當(dāng)過零脈沖信號(hào)P0從低電平變?yōu)楦唠娖降臅r(shí)刻為最小移相控制角。

若移相控制電壓UK固定不變，電容C2充電，C2的電壓線性增加，非門F3的輸入電壓也線性增加。C2充電，F(xiàn)3的輸入電壓超過其閾值電壓時(shí)，F(xiàn)3的輸入變?yōu)楦唠娖剑敵鰹榈碗娖?，這觸發(fā)驅(qū)動(dòng)器M1內(nèi)部的發(fā)光二極管LED1發(fā)光，光控雙向晶閘管導(dǎo)通。經(jīng)過限流電阻R8，觸發(fā)晶閘管雙向電子開關(guān)導(dǎo)通，該觸發(fā)信號(hào)將持續(xù)到下一個(gè)過零脈沖信號(hào)的負(fù)脈沖到來時(shí)消失。

當(dāng)移相控制電壓UK增加，電容C2的電壓充電至較小數(shù)值時(shí)，使非門F3產(chǎn)生觸發(fā)信號(hào)，而C2的電壓充電到較小數(shù)值的時(shí)間短，相當(dāng)于移相控制角前移；當(dāng)移相控制電壓UK減小時(shí)，電容電壓需充電增加到較大值，才能使F3產(chǎn)生觸發(fā)信號(hào)，而C2充電時(shí)間長(zhǎng)，相當(dāng)于移相控制角后移。因此，相控電壓決定了相控角。

2.4 PWM移相控制信號(hào)轉(zhuǎn)換為移相控制電壓

PWM信號(hào)輸入后，利用控制信號(hào)給定單元進(jìn)行輸入隔離，并轉(zhuǎn)換為直流移相控制電壓UK輸出。移相控制信號(hào)的占空比與移相控制電壓成正比，因此，改變移相控制信號(hào)的占空比，即可改變移相控制電壓大小，從而改變移相控制角。

PWM移相控制信號(hào)為高電平時(shí)，經(jīng)電阻R9限流，驅(qū)動(dòng)光控三極管導(dǎo)通，輸出端電壓被拉低，非門F4輸出高電平，通過電阻R11對(duì)電容C3充電；PWM移相控制信號(hào)為低電平時(shí)，M2內(nèi)部的LED2截止，光控三極管截止，輸出集電極端被電阻R10拉至高電平，F(xiàn)4輸出低電平，C3經(jīng)電阻R11放電。改變PWM移相控制信號(hào)的占空比，即改變電容C3的平均電壓值。由于電容C3的平滑濾波作用，C3引出的移相控制電壓UK為直流電壓。

3 觸發(fā)裝置的應(yīng)用特點(diǎn)

本裝置應(yīng)用新型的控制方法，突破了傳統(tǒng)方案的局限性。本裝置經(jīng)多次測(cè)試，試驗(yàn)結(jié)果表明其具有以下特點(diǎn)。

3.1 結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，易于實(shí)現(xiàn)，運(yùn)行穩(wěn)定

利用PWM信號(hào)進(jìn)行移相控制，易于實(shí)現(xiàn)，且抗干擾能力強(qiáng)。1）晶閘管雙向開關(guān)可用一個(gè)雙向晶閘管，或用2個(gè)單向晶閘管加2個(gè)二極管組成。2）電容C2采用恒流充放電方式，可確保移相控制信號(hào)與移相控制角之間的線性關(guān)系，且具有良好的移相線性度。3）采用光電隔離觸發(fā)方式，運(yùn)行安全。4）采用CMOS非門作為移相控制的核心器件，其電壓傳輸特性接近理想開關(guān)，閾值電壓近似為供電電壓的二分之一，能直接作為觸發(fā)比較電壓，無需調(diào)整，且工作可靠、穩(wěn)定。

3.2 非門輸入阻抗高，裝置功耗低

過零同步信號(hào)是由2個(gè)大阻值電阻和1個(gè)穩(wěn)壓管直接對(duì)交流電壓整流后的直流電壓進(jìn)行分壓得到。例如，電阻R1, R2均取值510kΩ，穩(wěn)壓管DW1的穩(wěn)壓值為9V，則R1的電壓有效值為211V，其功耗為

P1=211×211÷510≈87(mW)。R2的電壓被DW1限幅，使其功耗比P1低。直流工作電源的最大負(fù)載是光電隔離觸發(fā)驅(qū)動(dòng)器M1的輸入控制電流，其額定電流為5mA。CMOS產(chǎn)生電路所需的工作電流可以被控制得很小。例如，恒流源對(duì)電容C2充電，C2容量選擇0.22μF，最大充電時(shí)間為10ms（對(duì)應(yīng)的最大移相角為180°），最大充電電壓為4.5V（CMOS非門的閾值電壓），充電電流為

I=0.22×4.5÷10≈0.1(mA)。

UK平滑濾波充放電的電阻R11的阻值選擇10kΩ，其平均充放電電流為0.45mA。上拉電阻R10的阻值選擇100kΩ，其最大電流為0.09mA。CMOS非門的靜態(tài)功耗幾乎為0。

整個(gè)直流工作電源的負(fù)載電流若為6mA，在保留一定裕量情況下，直流工作電源需要提供的最大負(fù)載電流不超過10mA。電容C1, C2的容量分別選擇10, 100μF，即可滿足分壓及濾波的要求。直流電源電路只需要使用二極管D7，電容C1, C2，電阻R3，穩(wěn)壓管DW2等小功率元件。因此，整個(gè)裝置的功耗是較低的。

4 結(jié)語

本文提出的新型PWM脈沖控制的晶閘管觸發(fā)裝置，解決了傳統(tǒng)晶閘管觸發(fā)裝置的諸多不足，如不穩(wěn)定、可靠性差、價(jià)格昂貴、精度低、延遲等問題。該裝置采用CMOS非門作為移相控制單元的核心器件，利用PWM信號(hào)進(jìn)行移相控制，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，易于實(shí)現(xiàn)。同時(shí)，具有一定抗干擾能力，移相控制線性度較好，且成本低，體積小，運(yùn)行穩(wěn)定。

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（責(zé)任編輯：鄧 彬）

The PWM Pulse Controlled Thyristor Trigger Device

Chen Huan，Lin Yun，Li Fei，Peng Qionglin
（School of Electrical and Information Engineering，Hunan University of Technology，Zhuzhou Hunan 412007，China）

In order to solve a series of problems of traditional thyristor trigger device, a new thyristor trigger device controlled by PWM pulse was designed. The device consisted of five parted of two-way thyristor electronic switches, load, zero pulse generation and DC voltage unit, trigger signal generating unit and control signal given unit. Taking the bidirectional thyristor as two-way electronic switch, CMOS not gate as the core of phase shift control unit and its threshold voltage directly as the trigger reference voltage, applied PWM signal to phase shift control. The experimental results show that the device has strong anti-interference ability, good phase shift control linearity, which is low cost, small volume and works reliably.

PWM；shift phase pulse；thyristor；trigger

TM930

：A

：1673-9833(2014)01-0049-04

2013-11-26

湖南省自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目（13JJ9016）

陳 歡（1988-），男，江蘇淮安人，湖南工業(yè)大學(xué)碩士生，主要研究方向?yàn)楝F(xiàn)代電力電子技術(shù)及系統(tǒng)，

E-mail：815823475@qq.com

10.3969/j.issn.1673-9833.2014.01.010