新型晶閘管數(shù)字移相觸發(fā)脈沖產(chǎn)生電路的仿真研究

徐競(jìng)哲

(深圳市能源環(huán)保有限公司，廣東 深圳 518048)

晶閘管廣泛應(yīng)用于電力系統(tǒng)、通信系統(tǒng)、電力拖動(dòng)系統(tǒng)等領(lǐng)域，利用晶閘管的高電壓、大電流即大功率工作的特點(diǎn)，可實(shí)現(xiàn)整流與逆變。但是晶閘管是一個(gè)半可控器件，觸發(fā)脈沖需具備以下幾個(gè)條件：

1)觸發(fā)信號(hào)應(yīng)有足夠的功率(電壓、電流) ；

2)觸發(fā)脈沖信號(hào)應(yīng)有一定的寬度；

3)觸發(fā)脈沖信號(hào)前沿要陡；

4)觸發(fā)脈沖與主回路電源電壓必須同步；

5)觸發(fā)脈沖具有足夠的移相范圍[1]。

能產(chǎn)生觸發(fā)脈沖信號(hào)的電路種類較多，單結(jié)晶體管觸發(fā)電路是一種簡單適用的觸發(fā)脈沖產(chǎn)生電路，但主要用于要求不高的小功率變流電路中。而大、中功率的變流器，對(duì)觸發(fā)電路的精度要求較高，對(duì)輸出的觸發(fā)功率要求較大，故廣泛使用的是晶體管觸發(fā)電路、專用集成電路，其中以同步信號(hào)為鋸齒波的觸發(fā)電路和KC04鋸齒波移相觸發(fā)電路為代表[2]。

上述觸發(fā)電路具有共同的缺點(diǎn)：當(dāng)需要穩(wěn)壓的時(shí)候，輸出整流波形易產(chǎn)生突變，導(dǎo)致輸出電壓不穩(wěn)定，進(jìn)而對(duì)電網(wǎng)造成干擾；晶體管觸發(fā)電路還有脈沖移相比較復(fù)雜，易導(dǎo)致過調(diào)的現(xiàn)象。

目前，實(shí)現(xiàn)電動(dòng)汽車快充是業(yè)界解決電動(dòng)汽車快速推廣的一個(gè)重要共識(shí)。2021年9月17日，交通運(yùn)輸部副部長王志清在?？谑姓匍_的2021世界新能源汽車大會(huì)上表示，2025年中國高速公路的快充覆蓋率要達(dá)到80%[3]。

采用晶閘管整流電源是實(shí)現(xiàn)大電流快充最簡單有效的方案。由于需要聯(lián)網(wǎng)、計(jì)算機(jī)自動(dòng)控制，研究晶閘管數(shù)字移相觸發(fā)脈沖電路有非常重要的意義。本項(xiàng)目采用proteus仿真軟件仿真研究的晶閘管數(shù)字移相觸發(fā)脈沖電路，輸出觸發(fā)脈沖功率大，信號(hào)穩(wěn)定；采用標(biāo)準(zhǔn)集成電路，價(jià)格便宜；具有手動(dòng)編碼控制、數(shù)字鍵控控制和單片機(jī)控制方式。單片機(jī)控制時(shí)只需根據(jù)輸出電壓要求，輸出地址信號(hào)，編程非常簡單。

關(guān)于proteus仿真軟件的使用這里不進(jìn)行介紹，可以參考相關(guān)書籍[4]，數(shù)字電路仿真的結(jié)果與實(shí)際調(diào)試一般沒有差異，模擬電路還應(yīng)該以實(shí)際調(diào)試為準(zhǔn)。下面介紹電動(dòng)汽車快充電源的移向脈沖觸發(fā)電路設(shè)計(jì)。

1 觸發(fā)脈沖發(fā)生器設(shè)計(jì)方案

觸發(fā)脈沖的要求如前所述。電動(dòng)汽車充電電源需要采用自動(dòng)數(shù)字輸入設(shè)置充電參數(shù)，單片機(jī)控制電源的工作狀態(tài)，而晶閘管整流電源是角度控制，因此采用數(shù)字控制觸發(fā)脈沖電路比較適合。鑒于動(dòng)態(tài)仿真的需要，本設(shè)計(jì)采用手動(dòng)編碼控制代替單片機(jī)控制。三相數(shù)字移相觸發(fā)脈沖電路構(gòu)成框圖如圖1所示。

電路的設(shè)計(jì)思路是：同步信號(hào)經(jīng)過波形變換形成方波信號(hào)，控制6.4 kHz振蕩器工作狀態(tài)和移位寄存器工作狀態(tài)：當(dāng)方波高電平時(shí)，振蕩器工作，輸出脈沖串，移位寄存器串行輸出位置脈沖；當(dāng)方波低電平時(shí)，振蕩器停止工作，移位寄存器并行輸入位置信號(hào)，為串出作準(zhǔn)備。波段開關(guān)輸出1個(gè)地址信號(hào)，作為移位寄存器的并入信號(hào)，移位寄存器按照并入串出工作，在八分頻器輸出脈沖控制下，每20 ms輸出1個(gè)脈沖。此時(shí)移位寄存器相當(dāng)于一個(gè)數(shù)據(jù)選擇器，地址信號(hào)相當(dāng)于輸入端口位置數(shù)據(jù)，在1個(gè)周期中時(shí)鐘脈沖循環(huán)選中端口地址，則輸出1個(gè)周期性的脈沖信號(hào)。改變波段開關(guān)的地址信號(hào)，即改變脈沖位置，改變晶閘管觸發(fā)脈沖的控制角α。

圖1 數(shù)字移相觸發(fā)脈沖信號(hào)發(fā)生器組成框圖

由于三相觸發(fā)脈沖發(fā)生器結(jié)構(gòu)相同，只是同步信號(hào)不同，下面只介紹A相的電路設(shè)計(jì)與仿真。

2 單元電路設(shè)計(jì)及仿真

2.1 同步信號(hào)波形變換

同步信號(hào)波形變換電路如圖2所示。電路由運(yùn)放U1：A作比較器，電阻R22，二極管D3、D4組成同步信號(hào)輸入電路，D3、D4限壓保護(hù)運(yùn)放。R20構(gòu)成輸入直流平衡電阻，減小零點(diǎn)的偏移。LM324將輸入的正弦同步信號(hào)轉(zhuǎn)換為方波信號(hào)，控制多諧振蕩器和移位寄存器與A相交流電壓同步工作。工作電源U1：A(V+)=5 V。波形變換圖表仿真測(cè)試波形如圖3所示。

圖2 同步信號(hào)波形變換電路

圖3 波形變換測(cè)試波形

2.2 6.4 kHz多諧振蕩器

6.4 kHz多諧振蕩器電路如圖4所示。典型的555多諧振蕩器，當(dāng)同步方波信號(hào)U2(R)為高電平時(shí)，對(duì)應(yīng)50 Hz正弦波的正半周，電路工作。

圖4 6.4 kHz多諧振蕩器

按照f=1/T=1.44/(R1+2R2)×C計(jì)算元件參數(shù)。首先將晶閘管移相設(shè)為0°～180°，對(duì)應(yīng)時(shí)間為0～10 ms，粗調(diào)部分8位脈沖的寬度為10 ms。因此，粗調(diào)脈沖頻率為8/10 ms=800 Hz，脈沖寬度為10 ms/8=1.25 ms，對(duì)應(yīng)每個(gè)脈沖調(diào)節(jié)角度180°/8=22.5°。

設(shè)置細(xì)調(diào)脈沖是為了使輸出電壓的調(diào)節(jié)更加精確。8個(gè)細(xì)調(diào)脈沖的寬度應(yīng)該等于粗調(diào)脈沖的寬度，因此，細(xì)調(diào)脈沖頻率等于粗調(diào)脈沖的8倍，即555振蕩器的頻率為6.4 kHz，脈沖寬度為1.25 ms/8=0.156 ms，對(duì)應(yīng)每個(gè)脈沖調(diào)節(jié)角度為22.5°/8=2.81°。555振蕩器受同步整形脈沖控制。

設(shè)電容C1的電容量為0.1 μF且R23=R24，計(jì)算出R24=750 Ω，經(jīng)仿真調(diào)整得出R23=680 Ω。

仿真測(cè)試6.4 kHz脈沖串波形如圖5。

圖5 6.4 kHz脈沖發(fā)生器輸出脈沖串

2.3 八分頻電路

八分頻電路由74LS161實(shí)現(xiàn)，如圖6所示。電路的置“0”、置“數(shù)”端和使能端置高電平，74LS161處于16進(jìn)制狀態(tài)。Q2輸出脈沖為輸入時(shí)鐘的八分頻。輸出脈沖仿真測(cè)試波形如圖7所示。

圖6 八分頻電路

圖7 6.4 kHz八分頻電路輸出波形

2.4 粗調(diào)觸發(fā)脈沖產(chǎn)生電路

圖8 粗調(diào)觸發(fā)脈沖產(chǎn)生電路

(a)粗調(diào)脈沖地址處于低位的脈沖狀態(tài)

(b)粗調(diào)脈沖地址處于高位的脈沖狀態(tài)圖9 不同粗調(diào)脈沖地址位置的輸出脈沖比較

在工作中可以旋轉(zhuǎn)波段開關(guān)SW1，選擇芯片U3的某一輸入端口為高電平，其余為低電平，可以設(shè)置輸出脈沖的位置。移位工作時(shí)，高位地址端口數(shù)據(jù)先輸出，因此當(dāng)連接高位地址為“1”時(shí)，則脈沖在前，控制角α較小，整流輸出電壓較高；當(dāng)連接低位地址為“1”時(shí)，控制角α較大，整流輸出電壓較低。不同粗調(diào)脈沖地址位置的輸出脈沖比較見圖9。

54/74165為8位移位寄存器(并行輸入，互補(bǔ)串行輸出)，當(dāng)移位/置入控制端(SH/LD)為低電平時(shí)，并行數(shù)據(jù)(A-H)被置入寄存器，而時(shí)鐘(CLK，CLK INH-INK)及串行數(shù)據(jù)(SER)均無關(guān)。當(dāng)SH/LD為高電平時(shí)，并行置數(shù)功能被禁止。CLK和CLK INH在功能上是等價(jià)的，可以交換使用。當(dāng)CLK和CLK INH中有一個(gè)為低電平并且SH/LD為高電平時(shí)，另一個(gè)時(shí)鐘可以輸入。當(dāng)CLK和CLK INH中有一個(gè)為高電平時(shí)，另一個(gè)時(shí)鐘被禁止。只有在CLK為高電平時(shí)，CLK INH才可變?yōu)楦唠娖健?/p>

芯片74LS165的1腳具有同步的功能，在其為高電平期間，產(chǎn)生移位寄存。比如波段開關(guān)置U3的13腳D2=1，在時(shí)鐘CLK控制下，經(jīng)5個(gè)時(shí)鐘脈沖移相，該信號(hào)在U3(SO)9腳輸出1個(gè)脈沖。波段開關(guān)SW1各腳連接R4至R11下拉電阻，阻值不能大，需要保證在開關(guān)觸點(diǎn)斷開時(shí)，74LS165的輸入為低電平。2腳為時(shí)鐘，從八分頻電路接入。

2.5 細(xì)調(diào)觸發(fā)脈沖產(chǎn)生電路

細(xì)調(diào)觸發(fā)脈沖產(chǎn)生電路由α細(xì)調(diào)移位寄存器和輸入的移位數(shù)據(jù)組成，電路結(jié)構(gòu)與粗調(diào)觸發(fā)脈沖產(chǎn)生電路相同。其工作原理與粗調(diào)觸發(fā)脈沖產(chǎn)生電路相同。

芯片U5的1腳連接粗調(diào)輸出脈沖，實(shí)現(xiàn)細(xì)調(diào)和粗調(diào)同步的功能，2腳時(shí)鐘脈沖為多諧振蕩器輸出脈沖，如圖10所示。在工作中可以旋轉(zhuǎn)波段開關(guān)SW2，細(xì)調(diào)輸出脈沖的位置,從而微調(diào)整流器輸出電壓。

不同細(xì)調(diào)脈沖地址位置的輸出脈沖比較見圖11。

2.6 觸發(fā)脈沖驅(qū)動(dòng)與輸出電路

電路由三極管Q1、輸入限流電阻R1、輸出限流電阻R2、脈沖導(dǎo)引二極管D1、反向限幅二極管D2，脈沖變壓器X1組成。電路如圖12所示。由于電路工作原理與其他脈沖輸出電路相同，這里不再贅述。

圖10 細(xì)調(diào)觸發(fā)脈沖產(chǎn)生電路

圖10 細(xì)調(diào)觸發(fā)脈沖產(chǎn)生電路

(a)細(xì)調(diào)脈沖地址處于低位的脈沖狀態(tài)

(b)細(xì)調(diào)脈沖地址處于高位的脈沖狀態(tài)圖11 不同細(xì)調(diào)脈沖地址位置的輸出脈沖比較

2.7 A相觸發(fā)脈沖產(chǎn)生與半波可控制流電路

將前述部分電路合成完整的觸發(fā)脈沖產(chǎn)生電路并加上半波可控整流主電路，如圖13所示。電路采用波段開關(guān)手動(dòng)調(diào)節(jié)輸出電壓。電路采用12波段開關(guān)是由于仿真元件庫缺少能夠仿真的8波段開關(guān)。

圖12 觸發(fā)脈沖驅(qū)動(dòng)與輸出電路

圖13 數(shù)字移相觸發(fā)脈沖產(chǎn)生電路控制的半波可控整流主電路

如果把波段開關(guān)SW1、SW2的滑動(dòng)觸頭位置用二進(jìn)制代碼Q0Q1Q2Q3Q4Q5表示，不同地址碼輸入的情況下，采用圖表模式模擬信號(hào)仿真，觸發(fā)信號(hào)波形和整流電路輸出波形如圖14所示。Q0Q1Q2Q3Q4Q5表示的二進(jìn)制代碼是數(shù)控或單片機(jī)控制時(shí)的地址譯碼輸出值。對(duì)應(yīng)圖號(hào)為a、b、c……的每組波形由U5(SO)、U3(SO)、R3(2)組成，分別反映了不同地址碼產(chǎn)生的觸發(fā)脈沖的控制角(時(shí)間位置)及其對(duì)整流輸出的控制。U5(SO)：電路輸出的觸發(fā)脈沖波形；U3(SO)：粗調(diào)輸出脈沖波形；R3(2)：半波整流輸出波形。

圖14 驗(yàn)證數(shù)字移相脈沖發(fā)生器的單相半波整流電路波形

3 數(shù)據(jù)分析與結(jié)論

通過輸出觸發(fā)脈沖波形分析，脈沖粗調(diào)范圍為0°～180°，細(xì)調(diào)為0°～22.5°，移相范圍符合要求；脈沖幅度12 V，波形前后沿陡峭，非常標(biāo)準(zhǔn)。觸發(fā)脈沖與整流輸出信號(hào)前沿高度重合，說明同步良好。

測(cè)試表明，觸發(fā)脈沖信號(hào)產(chǎn)生容易，穩(wěn)定可靠，功率大，脈沖寬度、陡度符合晶閘管對(duì)觸發(fā)脈沖的全部要求，同步性能優(yōu)越，調(diào)試簡單，完全符合設(shè)計(jì)預(yù)期。

在快充電源中，如果采用單片機(jī)控制晶閘管控制角α，則只需根據(jù)充電電源的電壓要求，計(jì)算出控制角α的大小對(duì)應(yīng)的地址代碼，輸出代碼即可。因此，在自動(dòng)充電系統(tǒng)中，即方便輸出電壓自動(dòng)控制，又方便電能計(jì)量及后臺(tái)管理。