電力電子技術(shù)第五章-晶閘管的觸發(fā)電路課件

1、第五章晶閘管的觸發(fā)電路 主編第一節(jié)單結(jié)管觸發(fā)電路一、單結(jié)晶體管單結(jié)晶體管的結(jié)構(gòu)及其圖形符號如圖52所示,該器件只有一個PN結(jié)，但有兩個基極，所以稱其為“單結(jié)晶體管”或“雙基極管”。圖5-2單結(jié)晶體管a)結(jié)構(gòu)示意b)電路模型c)圖形符號d)外形及管腳第一節(jié)單結(jié)管觸發(fā)電路表5-1單結(jié)晶體管的主要參數(shù)第一節(jié)單結(jié)管觸發(fā)電路圖5-3單結(jié)晶體管伏安特性a)單結(jié)晶體管實驗電路b)單結(jié)晶體管伏安特性c)特性曲線族1.截止區(qū)aP段當(dāng)開關(guān)Q閉合，電壓Ubb通過單結(jié)晶體管等效電路中的rb1和rb2分壓，得A點電位UA，可表示為第一節(jié)單結(jié)管觸發(fā)電路2.負(fù)阻區(qū)PV段當(dāng)UeUP時，等效二極管VD導(dǎo)通，Ie增大，這時大量的

2、空穴載流子從發(fā)射極注入A點到b1的硅片，使rb1迅速減小，導(dǎo)致UA下降，因而Ue也下降。UA的下降，使PN結(jié)承受更大的正偏電壓，引起更多的空穴載流子注入到硅片中，使rb1進(jìn)一步減小，形成更大的發(fā)射極電流Ie，這是一個強烈的正反饋過程。當(dāng)Ie增大到一定程度，硅片中載流子的濃度趨于飽和，rb1已減小至最小值，A點的分壓UA最小，因而Ue也最小，得曲線上的V點。V點稱為谷點，谷點所對應(yīng)的電壓和電流稱為谷點電壓UV和谷點電流IV。這一區(qū)間稱為特性曲線的負(fù)阻區(qū)。3.飽和區(qū)VN段當(dāng)硅片中載流子飽和后，欲使Ie繼續(xù)增大，必須增大電壓Ue，單結(jié)晶體管處于飽和導(dǎo)通狀態(tài)。第一節(jié)單結(jié)管觸發(fā)電路二、單結(jié)晶體管自激振蕩

3、電路利用單結(jié)晶體管的負(fù)阻特性和RC電路的充放電特性，可以組成單結(jié)晶體管自激振蕩電路,如圖54所示。圖5-4單結(jié)晶體管自激振蕩電路第一節(jié)單結(jié)管觸發(fā)電路三、具有同步環(huán)節(jié)的單結(jié)晶體管觸發(fā)電路如采用上述單結(jié)晶體管自激振蕩電路輸出的脈沖電壓去觸發(fā)可控整流電路中的晶閘管，得到的電壓Ud的波形將是不規(guī)則的，無法進(jìn)行正常的控制，這是因為觸發(fā)電路缺少與主電路晶閘管保持電壓同步的環(huán)節(jié)。圖5-5晶體管同步觸發(fā)電路圖5-6單結(jié)晶體管觸發(fā)電路其他形式第二節(jié)鋸齒波觸發(fā)電路一、同步環(huán)節(jié)如圖57所示，同步環(huán)節(jié)由同步變壓器T、晶體管V2、VD1、VD2、R1及C1等組成。在鋸齒波觸發(fā)電路中，同步就是要求鋸齒波的頻率與主回路電源

4、的頻率相同。鋸齒波是由開關(guān)V2控制的，V2由導(dǎo)通變截止期間產(chǎn)生鋸齒波，V2截止持續(xù)時間就是鋸齒波的寬度，V2開關(guān)的頻率就是鋸齒波的頻率。要使觸發(fā)脈沖與主回路電源同步，必須使V2開關(guān)的頻率與主回路電源頻率達(dá)到同步。同步變壓器和整流變壓器接在同一電源上，用同步變壓器二次側(cè)電壓來控制V2的通斷，這就保證了觸發(fā)脈沖與主回路電源的同步。第二節(jié)鋸齒波觸發(fā)電路圖5-7同步電壓為鋸齒波的觸發(fā)電路第二節(jié)鋸齒波觸發(fā)電路二、鋸齒波形成及脈沖移相環(huán)節(jié)電路中由V1組成恒流源向電容C2充電，V2作為同步開關(guān)控制恒流源對C2的充放電過程。V3為射極跟隨器，起阻抗變換和前后級隔離作用，以減小后級對鋸齒波線性的影響。圖5-8、

5、和單獨作用的電路第二節(jié)鋸齒波觸發(fā)電路圖5-9鋸齒波觸發(fā)電路各點電壓波形第二節(jié)鋸齒波觸發(fā)電路三、脈沖形成、放大和輸出環(huán)節(jié) 如圖57所示，脈沖形成環(huán)節(jié)由晶體管V4、V5、V6組成；放大和輸出環(huán)節(jié)由V7、V8組成；同步移相電壓加在晶體管V4的基極，觸發(fā)脈沖由脈沖變壓器二次側(cè)輸出。圖5-7同步電壓為鋸齒波的觸發(fā)電路第二節(jié)鋸齒波觸發(fā)電路五、強觸發(fā)及脈沖封鎖環(huán)節(jié)在晶閘管串并聯(lián)使用或全控橋式電路中，為了保證被觸發(fā)的晶閘管同時導(dǎo)通?？刹捎幂敵雒}沖幅值高、前沿陡的強觸發(fā)電路。圖5-10觸發(fā)電路實現(xiàn)雙脈沖連接的示意圖四、雙脈沖形成環(huán)節(jié)三相全控橋式電路要求觸發(fā)脈沖為雙脈沖，相鄰兩個脈沖間隔為60，該電路可以實現(xiàn)雙脈

6、沖輸出。第三節(jié)集成觸發(fā)電路及數(shù)字觸發(fā)電路一、KC04、KC41C組成的三相集成觸發(fā)電路如圖511所示，由三塊KC04與一塊KC41C外加少量分立元件，可以組成三相全控橋集成觸發(fā)電路，它比分立元件電路要簡單得多。圖5-11三相全控橋雙窄脈沖集成觸發(fā)電路第三節(jié)集成觸發(fā)電路及數(shù)字觸發(fā)電路1. KC04移相觸發(fā)器KC04與分立元件的鋸齒波觸發(fā)電路相似，也是由同步、鋸齒波形成、移相控制、脈沖形成及放大輸出等環(huán)節(jié)組成。該器件適用于單相、三相全控橋式裝置中作晶閘管雙路脈沖移相觸發(fā)。它輸出的兩路相位差180的移相脈沖可方便地構(gòu)成全控橋式觸發(fā)電路。這種電路帶負(fù)載能力強，移相范圍寬。第三節(jié)集成觸發(fā)電路及數(shù)字觸發(fā)電

7、路2. KC41C六路雙脈沖形成器圖513所示為KC41C內(nèi)部電路及外部接線圖。使用時KC41C與三塊KC04可組成三相全控橋雙脈沖觸發(fā)電路，如圖511所示。把三塊KC04觸發(fā)器的6個輸出端分別接到KC41C的16端，KC41C內(nèi)部二極管具有的“或”功能形成雙窄脈沖，再由集成電路內(nèi)部6只晶體管放大，從1015端外接的V1V6(3DK6)晶體管作功率放大可得到800mA觸發(fā)脈沖電流，可觸發(fā)大功率的晶閘管。KC41C不僅具有雙脈沖形成功能，還可作為電子開關(guān)提供封鎖控制的功能，集成內(nèi)部V7管為電子開關(guān)，當(dāng)引腳7端接地時，V7管截止，各路可輸出觸發(fā)脈沖。反之，7端置于高電位，V7管導(dǎo)通，各路無輸出脈沖

8、。圖511所示三相全控橋雙窄脈沖集成觸發(fā)電路中，KC41C各引腳的脈沖波形如圖512b所示。第三節(jié)集成觸發(fā)電路及數(shù)字觸發(fā)電路圖5-12KC04與KC41C電路各點電壓波形第三節(jié)集成觸發(fā)電路及數(shù)字觸發(fā)電路圖5-13KC41C六路雙窄脈沖形成器a)內(nèi)部原理電路b)外形及引腳第三節(jié)集成觸發(fā)電路及數(shù)字觸發(fā)電路二、集成電路MC787和MC788集成電路MC787和MC788與KC系列相比較，具有功能強、外接元件少、不需要雙電源供電、功耗少等優(yōu)點，對于電力電子產(chǎn)品的小型化和方便設(shè)計具有重要意義。圖514所示為該電路的結(jié)構(gòu)框圖。圖5-14MC787和MC788內(nèi)部電路組成框圖第三節(jié)集成觸發(fā)電路及數(shù)字觸發(fā)電路

9、表5-2MC787和MC788的最大絕對額定值和推薦工作條件第三節(jié)集成觸發(fā)電路及數(shù)字觸發(fā)電路圖5-15MC787和MC788組成的三相觸發(fā)電路原理圖第三節(jié)集成觸發(fā)電路及數(shù)字觸發(fā)電路1)同步電壓的零點取在1/2電源電壓處，所以，同步信號的“地”若與電路共地，電路的同步信號輸入端應(yīng)用電阻進(jìn)行1/2分壓，然后將同步信號用電容耦合到輸入端；1/2分壓將影響同步信號的零點，應(yīng)選用相對誤差小于2%的電阻。2)電容容量誤差的選取應(yīng)小于5%，當(dāng)頻率為50Hz時，電容可取0.15F左右，當(dāng)頻率較高時，為保證電容積分幅值，電容應(yīng)減小。3)電路的半控/全控控制端(端)，使用時不要懸空。4) MC787/MC788獨

10、特而巧妙的設(shè)計，使它們可方便地用于主功率器件為普通晶閘管、雙向晶閘管、門極關(guān)斷晶閘管、非對稱晶閘管的電力電子設(shè)備中作移相觸發(fā)脈沖形成的電路。第三節(jié)集成觸發(fā)電路及數(shù)字觸發(fā)電路圖5-16計算機控制數(shù)字觸發(fā)系統(tǒng)組成框圖4) MC787/MC788獨特而巧妙的設(shè)計，使它們可方便地用于主功率器件為普通晶閘管、雙向晶閘管、門極關(guān)斷晶閘管、非對稱晶閘管的電力電子設(shè)備中作移相觸發(fā)脈沖形成的電路。第三節(jié)集成觸發(fā)電路及數(shù)字觸發(fā)電路三、數(shù)字觸發(fā)電路1.系統(tǒng)工作原理MCS-51系列8031單片機內(nèi)部有兩個16位可編程定時器/計數(shù)器T0、T1，若將其設(shè)置為定時器方式1，即以16位對機器周期進(jìn)行計數(shù)。首先將初值裝入TL(

11、低8位)及TH(高8位)，啟動定時器即開始從初值加1計數(shù)，當(dāng)計數(shù)值溢出時，向CPU發(fā)出中斷申請，CPU響應(yīng)后執(zhí)行相應(yīng)的中斷程序。在中斷程序中讓單片機發(fā)出觸發(fā)信號，因此改變計數(shù)器的初值，就可改變定時長短。圖5-17三相全控橋電路及脈沖觸發(fā)第三節(jié)集成觸發(fā)電路及數(shù)字觸發(fā)電路圖5-18輸出脈沖程序流程圖第三節(jié)集成觸發(fā)電路及數(shù)字觸發(fā)電路2.微機觸發(fā)系統(tǒng)的硬件設(shè)置系統(tǒng)硬件配置框圖如圖519所示。8031CPU芯片共有4個并行的I/O口，我們用P0口作為數(shù)據(jù)總線和外部存儲器的低8位地址總線，數(shù)據(jù)和地址為分時控制，由ALE進(jìn)行地址鎖存。P2口作為外部存儲器的高8位地址總線口。圖5-19系統(tǒng)硬件配置框圖第四節(jié)觸

12、發(fā)電路與主電路電壓的同步一、同步的意義所謂同步，是指給觸發(fā)電路提供與晶閘管所承受的電源電壓保持合適相位關(guān)系的電壓，使其觸發(fā)脈沖的相位出現(xiàn)在被觸發(fā)的晶閘管承受正向電壓的區(qū)間，確保主電路各晶閘管在每一個周期內(nèi)按相同的順序和控制角被觸發(fā)導(dǎo)通。我們將提供給觸發(fā)電路合適相位的電壓稱為同步信號電壓，正確選擇同步信號電壓與晶閘管主電壓的相位關(guān)系稱為同步或定相。同步或定相問題是三相變流電路的重要組成部分，對于采用集成觸發(fā)器的電路而言，其同步定相問題相對簡單。第四節(jié)觸發(fā)電路與主電路電壓的同步二、實現(xiàn)同步的方法觸發(fā)電路要與主電路電壓取得同步，首先二者應(yīng)由同一電網(wǎng)供電，保證電源頻率一致；其次要根據(jù)主電路的型式選擇合

13、適的觸發(fā)電路；最后依據(jù)整流變壓器的接線組別、主電路線路型式、負(fù)載性質(zhì)確定觸發(fā)電路的同步電壓，并通過同步變壓器的正確連接實現(xiàn)之。方法。第四節(jié)觸發(fā)電路與主電路電壓的同步三、定相舉例例5-1三相橋式全控電路如圖5-20a所示，直流電動機負(fù)載，要求可逆運行，整流變壓器TR為D，y1接線組別，采用圖5-7所示鋸齒波為同步信號的觸發(fā)電路。鋸齒波的齒寬為240考慮鋸齒波起始段的非線性，故留出60余量。電路要求的移相范圍是：30150。試按簡化相量圖的方法來確定同步變壓器的接線組別及變壓器繞組連接方法。圖5-20同步定相例圖第四節(jié)觸發(fā)電路與主電路電壓的同步解選擇以某一只晶閘管的同步定相為例(如以V1管)，其余五管可根據(jù)相位關(guān)系依次確定，具體步驟如下。(1)確定VT1管的同步電壓與主電路電壓的相位關(guān)系根據(jù)題意，主電路所要求的移相范圍是在=30150之間，如圖5-20b所示相電壓波形uU(或線電壓波形uUV)的粗線段所示。(2)確定同步變壓器的結(jié)線組別根據(jù)整流變壓器TR已知的Dy1接線組別及由上一步確定的相位關(guān)系，畫出uU1V1與uU相位關(guān)系矢量圖、同步電壓uSU與主電路電壓uU的兩組矢量關(guān)系圖，確定同步電壓二次側(cè)線電壓SUV與主電路