單正激驅動(dòng)變壓器的磁通復位問(wèn)題分析

1 引言

晶閘管觸發(fā)驅動(dòng)電路的作用是產(chǎn)生符合要求的門(mén)極觸發(fā)脈沖，保證晶閘管在需要的時(shí)刻由阻斷轉為導通[1,2]。廣義上講，晶閘管觸發(fā)電路通常包括驅動(dòng)電路以及對其觸發(fā)時(shí)刻進(jìn)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動(dòng)環(huán)節，有關(guān)相位控制電路在有關(guān)教科書(shū)中已有討論?，F今晶閘管主要應用于交流—直流相控整流和交流—交流相控調壓等，適用于這些應用的各種驅動(dòng)觸發(fā)器都已集成化、系列化。例如目前國內生產(chǎn)的KJ系列和KC系列的晶閘管驅動(dòng)(觸發(fā))器，都可供研制選用。

為保證晶閘管可靠觸發(fā)導通，門(mén)極的脈沖電流必須有足夠大的幅值和持續時(shí)間，以及盡可能短的電流上升時(shí)間[3]?？刂齐娐泛椭麟娐分g的隔離，通常既可以通過(guò)光耦亦可以采用脈沖變壓器來(lái)實(shí)現，這兩種方式各有優(yōu)缺點(diǎn)：光電耦合隔離時(shí)兩側的電磁干擾小，但光耦器件需要承受主電路高壓，有時(shí)還需要在SCR側有一個(gè)電源和一個(gè)脈沖放大器;采用脈沖變壓器隔離的觸發(fā)脈沖放大和驅動(dòng)環(huán)節，優(yōu)點(diǎn)是毋需另加驅動(dòng)電源，多年來(lái)一直獲得廣泛應用[4-6]。然而，其脈沖變壓器需要采取措施防止磁芯飽和。其電路拓撲結構雖然簡(jiǎn)單，但是所涉及的電磁作用原理及磁通復位和參數設計問(wèn)題，還是比較復雜的，本文就此類(lèi)問(wèn)題以及相關(guān)物理過(guò)程進(jìn)行研究分析。

2 觸發(fā)驅動(dòng)電路結構和原理

圖1給出了基于脈沖變壓器和三極管放大器的一種常見(jiàn)的晶閘管觸發(fā)驅動(dòng)電路，該驅動(dòng)電路由V1、V2構成的脈沖放大環(huán)節和脈沖變壓器TM及附屬電路構成的脈沖輸出環(huán)節兩部分組成。當開(kāi)關(guān)管V1、V2導通時(shí)，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(guò)脈沖變壓器磁耦合作用，在副邊產(chǎn)生電壓上正下負，經(jīng)VD2和R4(限流)作用于晶閘管的門(mén)極和陰極之間，輸出觸發(fā)脈沖，提供觸發(fā)電流。當V2關(guān)斷時(shí)，由于TM原邊電流的急劇減小，其di/dt0，由楞次定律決定其原邊產(chǎn)生下正上負的自感反電勢，致使VD1導通，對原邊電流形成續流通路。同時(shí)，在副邊也產(chǎn)生下正上負的電壓，由于VD2反偏，所以此時(shí)TM副邊形不成電流通路。VD3的存在，使此時(shí)輸出給門(mén)極G與陰極K之間的電壓近似為零。VD3還具有防止負脈沖和其它干擾信號影響SCR工作的效果。

圖1 常見(jiàn)的晶閘管觸發(fā)驅動(dòng)電路

VD1和R3的作用十分重要，若該支路斷開(kāi)，在V2關(guān)斷時(shí)會(huì )在TM原邊形成很高的自感反電勢，導致V2過(guò)壓擊穿。VD1和R3續流支路，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(wèn)題

通常采用脈沖變壓器隔離的觸發(fā)驅動(dòng)電路，是難以傳遞寬觸發(fā)脈沖的。比如，圖1驅動(dòng)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管持續導通時(shí)間過(guò)長(cháng)，i0會(huì )變得很大，從而將導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，根據法拉第電磁感應定律u2=N2d?/dt，副邊的感應電壓u2將難以達到寬脈沖傳輸的要求。磁芯的截面積越小，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)脈沖的持續時(shí)間符合輸入控制信號的要求，實(shí)際當中往往采用對輸入寬脈沖信號進(jìn)行高頻調制的脈沖列觸發(fā)方式，如圖2(b)所示。調制頻率一般在數kHz至數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)驅動(dòng)功率和提高觸發(fā)的可靠性。圖中輸入脈沖控制信號uB1的持續作用時(shí)間與圖(a)中相同，只是按一定占空比經(jīng)過(guò)了高頻調制。在每一個(gè)窄脈沖高電平期間，V2管導通，勵磁電流的上升率為正，i0近直線(xiàn)上升。在V2管關(guān)斷時(shí)，由于原邊反電勢作用使u1為負壓，由VD1和R3支路為i0提供續流通路，同時(shí)，由式(1)得知其變化率為負值，i0開(kāi)始下降，其下降速度決定于負壓的大小。該負壓由i0在R3上的壓降提供(也可以用齊納穩壓二極管來(lái)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)驅動(dòng)控制方式：(a)寬脈沖觸發(fā);(b)正常脈沖列觸發(fā);

(c)磁通不能復位對脈沖列觸發(fā)的影響

4 磁通復位及波形畸變問(wèn)題

若R3取值較大，反電勢作用產(chǎn)生的u1負值也較大，可以使i0的下降速度較快。其下降速度應保證在下一個(gè)窄脈沖到來(lái)之前，i0下降到零，從而使鐵芯磁通?減小到零，通常稱(chēng)為磁通復位。圖2(b)所示，為V2管關(guān)斷時(shí)的u1負值與其導通時(shí)的u1正值相等，均等于電源電壓E2時(shí)對應的波形(此時(shí)V2管關(guān)斷時(shí)的集電極電位應比電源電壓E2高出一倍)，要求此時(shí)輸入脈沖列的占空比最大不能超過(guò)50%。圖中uGK可以理解為u2經(jīng)過(guò)整流之后的波形。若R3取值較小，u1負值較小，對降低V2管所承受的集電極電壓有利，但會(huì )使i0的下降速度很慢。若脈沖列的占空比較大，在下一個(gè)窄脈沖到來(lái)時(shí)，可能i0并不能下降到零，這樣就會(huì )導致鐵芯磁通?不能復位到零，經(jīng)過(guò)若干個(gè)窄脈沖作用之后，?就會(huì )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(huì )逐漸變小，甚至衰減到零，如圖2(c)所示?？梢?jiàn)R3的取值應該合理地選擇，取值過(guò)大對磁通加快復位有利，但對V2管的耐壓要求提高。實(shí)際上VD1和R3就是為了V1、V2管由導通變?yōu)榻刂箷r(shí)，脈沖變壓器TM釋放其儲存能量而設置的。

5. 結束語(yǔ)

本文對采用變壓器隔離的單端正激式晶閘管驅動(dòng)電路進(jìn)行了分析研究，主要討論了其傳遞寬脈沖觸發(fā)存在的問(wèn)題，采用高頻調制脈沖列觸發(fā)帶來(lái)的優(yōu)點(diǎn)，高頻調制脈沖列觸發(fā)所涉及的磁通復位、波形畸變及有關(guān)參數設計問(wèn)題。

需要指出，上述有關(guān)線(xiàn)圈驅動(dòng)及磁通復位原理的分析，在實(shí)際當中非常有用，其應用場(chǎng)合遠遠超出了晶閘管觸發(fā)驅動(dòng)的范圍，比如各種微處理器、微計算機、PLC、變頻器等數字化控制系統與其外圍被控對象之間的繼電器接口，以及多種開(kāi)關(guān)電源等等。

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作者簡(jiǎn)介

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