第4章 觸發(fā)電路與驅(qū)動電路

第四章觸發(fā)電路與驅(qū)動電路

第一節(jié)

對觸發(fā)電路的要求及簡易觸發(fā)電路介紹

第二節(jié)單結(jié)晶體管觸發(fā)電路

第三節(jié)同步電壓為鋸齒波得觸發(fā)電路1第四章觸發(fā)電路與驅(qū)動電路■相控電路◆晶閘管可控整流電路，通過控制觸發(fā)角a的大小即控制觸發(fā)脈沖起始相位來控制輸出電壓大小?！舨捎镁чl管相控方式時的交流電力變換電路和交交變頻電路（第七章）?！鱿嗫仉娐返尿?qū)動控制

◆為保證相控電路正常工作，很重要的是應(yīng)保證按觸發(fā)角a的大小在正確的時刻向電路中的晶閘管施加有效的觸發(fā)脈沖。

◆晶閘管相控電路，習慣稱為觸發(fā)電路?！龃?、中功率的變流器廣泛應(yīng)用的是晶體管觸發(fā)電路，其中以同步信號為鋸齒波的觸發(fā)電路應(yīng)用最多。2１.觸發(fā)信號要有足夠的功率第一節(jié)對觸發(fā)電路的要求及簡易觸發(fā)電路介紹一、晶閘管對觸發(fā)電路的要求觸發(fā)信號常采用脈沖形式，晶閘管對觸發(fā)電路的基本要求有如下幾條：為使晶閘管可靠觸發(fā)，觸發(fā)電路提供的觸發(fā)電壓和電流必須大于晶閘管產(chǎn)品參數(shù)提供的門極觸發(fā)電壓與觸發(fā)電流值，即必須保證具有足夠的觸發(fā)功率。一般要在觸發(fā)電路接到晶閘管控制極時，輸出脈沖的幅度為4～10V。2.觸發(fā)脈沖必須與主回路電源電壓保持同步要求晶閘管在每個周期都在相同的相位上觸發(fā)，否則輸出電壓的波形為非周期性，造成輸出電壓平均值不穩(wěn)定。3第一節(jié)對觸發(fā)電路的要求及簡易觸發(fā)電路介紹３.觸發(fā)脈沖要有一定的寬度，前沿要陡觸發(fā)脈沖要有足夠的寬度，對于電阻性負載電路，一般要求脈沖寬度大于10μs；觸發(fā)脈沖的前沿要陡，以保證觸發(fā)時間準確，一般要求前沿時間小于10μs。理想的脈沖為強觸發(fā)脈沖。4.觸發(fā)脈沖的移相范圍應(yīng)能滿足主電路要求例如單相全控橋電阻負載要求觸發(fā)脈沖移相范圍為180°，而電感性負載（不接續(xù)流二極管）要求移相范圍為90°。IIMt1t2t3t4圖—理想的晶閘管觸發(fā)脈沖電流波形t1~t2

脈沖前沿上升時間（<1

s）t1~t3

強脈寬度IM

強脈沖幅值（3IGT~5IGT）t1~t4

脈沖寬度I

脈沖平頂幅值（1.5IGT~2IGT）4第一節(jié)對觸發(fā)電路的要求及簡易觸發(fā)電路介紹二、簡易觸發(fā)電路

在負載功率較小，控制精度要求不高時，常采用簡易觸發(fā)電路。1.簡單移相觸發(fā)電路通過改變電阻RP的阻值，改變門極電流上升到IG所需的時間，即改變晶閘管在一個周期中開始導通的時刻（即實現(xiàn)了移相觸發(fā)），從而改變了負載Rd上的電壓值。5第一節(jié)對觸發(fā)電路的要求及簡易觸發(fā)電路介紹2.阻容移相觸發(fā)電路電路利用電容C充電延時觸發(fā)來實現(xiàn)移相的。改變電阻RP的阻值可以改變反向充電的時間常數(shù)，從而改變uC上升到UG的時間，實現(xiàn)移相觸發(fā)。6第一節(jié)對觸發(fā)電路的要求及簡易觸發(fā)電路介紹3.數(shù)字集成塊觸發(fā)目前應(yīng)用較多的TTL、CMOS等數(shù)字集成電路，因其輸出電流較小，常用于觸發(fā)靈敏度高的晶閘管。右圖中加入晶體管V1起著驅(qū)動作用，為晶閘管VT提供足夠的門極觸發(fā)電流，可用于觸發(fā)普通晶閘管。7第二節(jié)單結(jié)晶體管觸發(fā)電路一、單結(jié)晶體管的結(jié)構(gòu)

如下圖，單結(jié)晶體管是在一塊高電阻率的N型硅片上，引出兩個電極，并在兩電極中摻入P型雜質(zhì)，形成一個PN結(jié)，所以稱之為單結(jié)晶體管。但有兩個基極，故又稱“雙基極管”。圖4-5單結(jié)晶體管（a）內(nèi)部結(jié)構(gòu)（b）等效電路（c）符號（d）管腳排列（a）（b）（c）（d）8二、單結(jié)晶體管的伏安特性Ie=f(Ue)S斷開時，Ibb為零，得到曲線①與二極管正向伏安特性相近。截止區(qū)——aP段

Ue<UA時，PN結(jié)反偏，Ie<0

Ue=UA時，PN結(jié)零偏，Ie=0，對應(yīng)b點

Ue=hUbb+UD，PN結(jié)導通，對應(yīng)峰點P。第二節(jié)單結(jié)晶體管觸發(fā)電路9負阻區(qū)——PV段形成正反饋可見，Ue減小而Ie增大，動態(tài)電阻Δreb1=ΔUe/ΔIe為負值，呈現(xiàn)負阻特性，圖中PV段為負阻區(qū)，V點為谷點。飽和區(qū)——VN段在谷點V之后恢復正阻特性，Ue隨Ie的增加而增大，進入飽和區(qū)。顯然谷點電壓四維持單結(jié)管導通導通的最小電壓，一旦Ue<UV，晶體管截止。第二節(jié)單結(jié)晶體管觸發(fā)電路10第二節(jié)單結(jié)晶體管觸發(fā)電路三、單結(jié)晶體管自激振蕩電路單結(jié)晶體管組成的自激振蕩電路，可以產(chǎn)生頻率可變的脈沖。加上電源U后，對電容進行充電，uc<UP時，單結(jié)管截止。

uc=UP時，單結(jié)管飽和導通，電阻R1上輸出一個脈沖電壓。放電至uc=UV甚至更小時，單結(jié)管導通轉(zhuǎn)為截止，R1上的脈沖電壓結(jié)束，電容C又開始充電，單結(jié)管又導通，如此循環(huán)。重復形成振蕩，在R1上便得到一系列的脈沖電壓ug。11第二節(jié)單結(jié)晶體管觸發(fā)電路電路的振蕩頻率近似為調(diào)節(jié)Re，即可調(diào)節(jié)振蕩頻率。電容電路的放電時間常數(shù)（電阻R1）決定了輸出脈沖電壓ug的寬度。

其中η

=0.3~0.9為單結(jié)晶體管的分壓比12第二節(jié)單結(jié)晶體管觸發(fā)電路四、單結(jié)晶體管同步觸發(fā)電路下圖為單相半控橋單結(jié)晶體管觸發(fā)電路。同步電路包括：變壓器、整流橋、穩(wěn)壓管。同時一次側(cè)接主電路變壓器二次側(cè)經(jīng)整流、穩(wěn)壓削波后作為單結(jié)管觸發(fā)電路的電源。13每半個周期電容C充放電不止一次，晶閘管只由第一個脈沖觸發(fā)導通，后面脈沖不起作用。改變Re，可改變電容充電速度，從而調(diào)節(jié)a角?？蓪⒂|發(fā)脈沖同時送到兩個晶閘管VT1、VT2的門極，保證兩個晶閘管輪流導通，又簡化電路。第二節(jié)單結(jié)晶體管觸發(fā)電路14第二節(jié)單結(jié)晶體管觸發(fā)電路實際中的實用電路通過脈沖變壓器輸出，實現(xiàn)電氣隔離。用晶體管代替可調(diào)電阻Re，實現(xiàn)自動移相利用這樣的三相交流電，保證電路先給C3充電，再觸發(fā)VT1。用VT1將觸發(fā)脈沖放大，放大后的脈沖再輸出去觸發(fā)大電流晶閘管。15第三節(jié)同步電壓為鋸齒波的觸發(fā)電路 在電流容量較大、要求較高的晶閘管裝置中，常采用由晶閘管組成的觸發(fā)電路，其中同步信號為鋸齒波的觸發(fā)電路由于不受電網(wǎng)波動和波形畸變的影響，同時具有較寬的調(diào)節(jié)范圍和較強的抗干擾能力，因而得到了廣泛應(yīng)用。輸出可為雙窄脈沖（適用于有兩個晶閘管同時導通的電路），也可為單窄脈沖。由5個基本環(huán)節(jié)組成：同步環(huán)節(jié)；鋸齒波形成及脈沖移相控制環(huán)節(jié)；脈沖形成、放大和輸出環(huán)節(jié)；雙脈沖形成環(huán)節(jié)和強觸發(fā)環(huán)節(jié)。一、電路特點16圖4-10同步信號為鋸齒波的觸發(fā)電路電路圖17第三節(jié)同步電壓為鋸齒波的觸發(fā)電路1.同步環(huán)節(jié)同步——要求觸發(fā)脈沖的頻率與主電路電源的頻率相同且相位關(guān)系確定。同步環(huán)節(jié)是由同步變壓器Ts、晶體管V2、二極管VD1、VD2以及R1、C1組成。因此，要使觸發(fā)脈沖與主電路電源同步，就是使V2開關(guān)的頻率與主電路電源頻率同步。18第三節(jié)同步電壓為鋸齒波的觸發(fā)電路鋸齒波是由開關(guān)V2管來控制的。

V2開關(guān)的頻率就是鋸齒波的頻率——由同步變壓器所接的交流電壓決定。

V2由導通變截止期間產(chǎn)生鋸齒波——鋸齒波起點就是同步電壓由正變負的過零點。

V2截止狀態(tài)持續(xù)的時間就是鋸齒波的寬度——取決于充電時間常數(shù)R1C1。19第三節(jié)同步電壓為鋸齒波的觸發(fā)電路2.鋸齒波形成及脈沖移相控制環(huán)節(jié)

鋸齒波電壓形成的方案較多，如采用自舉式電路、恒流源電路等；本電路采用恒流源電路，由V1、V9、RP1和R4組成。調(diào)節(jié)RP1可改變恒流源電流Ic1，從而改變鋸齒波斜率。

當V2截止時，恒流源對C2充電：

當V2導通時，C2經(jīng)R5、V2放電，放電很快。202.鋸齒波形成及脈沖移相控制環(huán)節(jié)

如此，只要控制V2周期性地截止導通，就可使電容C2周期性地充放電。

V3為射極跟隨器，起阻抗變換和前后級隔離的作用，以減小后級對鋸齒波的影響。第三節(jié)同步電壓為鋸齒波的觸發(fā)電路212.鋸齒波形成及脈沖移相控制環(huán)節(jié)當ub4為負，V4截止；當ub4由零變正時，V4變?yōu)閷ā?/p>

電壓ue3，與外加控制電壓Uc、偏移電壓Ub，分別通過R7、R8、R9加至晶體管V4的基極。由電工學中的疊加原理，得到：第三節(jié)同步電壓為鋸齒波的觸發(fā)電路222.鋸齒波形成及脈沖移相控制環(huán)節(jié)

觸發(fā)時，常將Ub調(diào)整為某一負固定值，這樣使控制電壓Uc為正，實現(xiàn)單極性調(diào)節(jié)。改變Uc時，改變了V4由截止轉(zhuǎn)為導通的時刻，就是改變a角，實現(xiàn)移相控制。第三節(jié)同步電壓為鋸齒波的觸發(fā)電路233.脈沖形成、放大和輸出環(huán)節(jié)V4、V5、V6—脈沖形成V7、V8—脈沖放大，經(jīng)TP二次側(cè)輸出第三節(jié)同步電壓為鋸齒波的觸發(fā)電路243.脈沖形成、放大和輸出環(huán)節(jié)第三節(jié)同步電壓為鋸齒波的觸發(fā)電路253.脈沖形成、放大和輸出環(huán)節(jié)脈沖前沿由V4導通時刻確定，脈沖寬度與反向充電回路時間常數(shù)R14C3有關(guān)。電路的觸發(fā)脈沖由脈沖變壓器TP二次側(cè)輸出，其一次繞組接在V8集電極電路中，實現(xiàn)電氣隔離。第三節(jié)同步電壓為鋸齒波的觸發(fā)電路264.雙脈沖形成環(huán)節(jié)第三節(jié)同步電壓為鋸齒波的觸發(fā)電路■雙窄脈沖形成環(huán)節(jié)◆內(nèi)雙脈沖電路：每個觸發(fā)單元的一個周期內(nèi)輸出兩個間隔60

的脈沖的電路。

◆V5、V6構(gòu)成一個“或”門?當V5、V6都導通時，V7、V8都截止，沒有脈沖輸出?只要V5、V6有一個截止，都會使V7、V8導通，有脈沖輸出。274.雙脈沖形成環(huán)節(jié)第三節(jié)同步電壓為鋸齒波的觸發(fā)電路■雙窄脈沖形成環(huán)節(jié)

?第一個脈沖由本相觸發(fā)單元的uco對應(yīng)的控制角

產(chǎn)生。隔60

的第二個脈沖是由滯后60

相位的后一相觸發(fā)單元產(chǎn)生（通過V6）?！粼谌鄻蚴饺卣麟娐分?，器件的導通次序為VT1-VT2-VT3-VT4-VT5-VT6，彼此間隔60

，相鄰器件成雙接通，所以某個器件導通的同時，觸發(fā)單元需要給前一個導通的器件補送一個脈沖。284.雙脈沖形成環(huán)節(jié)

第一個脈沖由本相觸發(fā)單元的Uc對應(yīng)的控制角

產(chǎn)生。

隔60

的第二個脈沖是由滯后60

相位的后一相觸發(fā)單元產(chǎn)生（通過V6）。第三節(jié)同步電壓為鋸齒波的觸發(fā)電路29五、強觸發(fā)及脈沖封鎖環(huán)節(jié)整流橋得到50V的直流電源。電容C5的作用是為了提高強觸發(fā)脈沖前沿。第三節(jié)同步電壓為鋸齒波的觸發(fā)電路30控制電壓Uc與整流輸出Ud之間不成線性關(guān)系。電路較復雜。優(yōu)點觸發(fā)電路抗干擾能力強，不受電網(wǎng)電壓波動與波形畸變的影響。移相范圍寬，應(yīng)用較廣。

缺點同步電壓為鋸齒波的觸發(fā)電路特點：第三節(jié)同步電壓為鋸齒波的觸發(fā)電路31第七節(jié)電力電子器件的保護■過電壓分為外因過電壓和內(nèi)因過電壓兩類?！鐾庖蜻^電壓主要來自雷擊和系統(tǒng)中的操作過程等外部原因，包括

◆操作過電壓：由分閘、合閘等開關(guān)操作引起的過電壓?！衾讚暨^電壓：由雷擊引起的過電壓。

電力電子裝置中，為了避免器件及線路出現(xiàn)損壞，除元器件的選擇必須合理外，還需要采取必要的保護措施。32第七節(jié)電力電子器件的保護■內(nèi)因過電壓主要來自電力電子裝置內(nèi)部器件的開關(guān)過程，包括

◆換相過電壓：晶閘管或與全控型器件反并聯(lián)的二極管在換相結(jié)束后，反向電流急劇減小，會由線路電感在器件兩端感應(yīng)出過電壓。

◆關(guān)斷過電壓：全控型器件在較高頻率下工作，當器件關(guān)斷時，因正向電流的迅速降低而由線路電感在器件兩端感應(yīng)出的過電壓。

33第七節(jié)電力電子器件的保護圖過電壓抑制措施及配置位置F

避雷器D

變壓器靜電屏蔽層C

靜電感應(yīng)過電壓抑制電容RC1

閥側(cè)浪涌過電壓抑制用RC電路RC2

閥側(cè)浪涌過電壓抑制用反向阻斷式RC電路RV

壓敏電阻過電壓抑制器RC3

閥器件換相過電壓抑制用RC電路RC4

直流側(cè)RC抑制電路RCD

閥器件關(guān)斷過電壓抑制用RCD電路■過電壓抑制措施及配置位置

◆各電力電子裝置可視具體情況只采用其中的幾種。

◆RC3和RCD為抑制內(nèi)因過電壓的措施。

34第七節(jié)電力電子器件的保護圖RC過電壓抑制電路聯(lián)結(jié)方式a)單相b)三相圖反向阻斷式過電壓抑制用RC電路◆抑制外因過電壓來采用RC過電壓抑制電路?！魧Υ笕萘康碾娏﹄娮友b置，可采用圖9-12所示的反向阻斷式RC電路?！舨捎醚┍蓝O管、金屬氧化物壓敏電阻、硒堆和轉(zhuǎn)折二極管（BOD）等非線性元器件來限制或吸收過電壓也是較常用的措施。

35第七節(jié)電力電子器件的保護圖過電流保護措施及配置位置■過流保護◆過電流分過載和短路兩種情況。36第七節(jié)電力電子器件的保護■過電流保護措施及其配置位置

◆快速熔斷器、直流快速斷路器和過電流繼電器是較為常用的措施，一般電力電子裝置均同時采用幾種過電流保護措施，以提高保護的可靠性和合理性。

◆通常，電子電路作為第一保護措施，快熔僅作為短路時的部分區(qū)段的保護，直流快速斷路器整定在電子電路動作之后實現(xiàn)保護，過電流繼電器整定在過載時動作。

37第七節(jié)電力電子器件的保護◆快速熔斷器（簡稱快熔）

?是電力電子裝置中最有效、應(yīng)用最廣的一種過電流保護措施。

?選擇快熔時應(yīng)考慮

√電壓等級應(yīng)根據(jù)熔斷后快熔實際承受的電壓來確定。

√電流容量應(yīng)按其在主電路中的接入方式和主電路聯(lián)結(jié)形式確定。

√快熔的t值應(yīng)小于被保護器件的允許t值。

√為保證熔體在正常過載情況下不熔化，應(yīng)考慮其時間

電流特性。38第七節(jié)電力電子器件的保護

?快熔對器件的保護方式可分為全保護和短路保護兩種。

√全保護：過載、短路均由快熔進行保護，適用于小功率裝置或器件裕度較大的場合。

√短路保護：快熔只在短路電流較大的區(qū)域起保護作用?！魧χ匾那乙装l(fā)生短路的晶閘管設(shè)備，或全控型器件，需采用電子電路進行過電流保護?！舫Ｔ谌匦推骷尿?qū)動電路中設(shè)置過電流保護環(huán)節(jié)，器件對電流的響應(yīng)是最快的。39第七節(jié)電力電子器件的保護■緩沖電路（SnubberCircuit）又稱為吸收電路，其作用是抑制電力電子器件的內(nèi)因過電壓、du/dt或者過電流和di/dt，減小器件的開關(guān)損耗?！龇诸?/p>

◆分為關(guān)斷緩沖電路和開通緩沖電路

?關(guān)斷緩沖電路：又稱為du/dt抑制電路，用于吸收器件的關(guān)斷過電壓和換相過電壓，抑制du/dt，減小關(guān)斷損耗。

?開通緩沖電路：又稱為di/dt抑制電路，用于抑制器件開通時的電流過沖和di/dt，減小器件的開通損耗。

?復合緩沖電路：關(guān)斷緩沖電路和開通緩沖電路結(jié)合在一起。40第七節(jié)電力電子器件的保護

◆還可分為耗能式緩沖電路和饋能式緩沖電路

?耗能式緩沖電路：緩沖電路中儲能元件的能量消耗在其吸收電阻上。?饋能式緩沖電路：緩沖電路能將其儲能元件的能量回饋給負載或電源，也稱無損吸收電路。

◆通常將緩沖電路專指關(guān)斷緩沖電路，而將開通緩沖電路區(qū)別叫做di/dt抑制電路。

41第七節(jié)電力電子器件的保護b)tuCEiCOdidt抑制電路時無didt抑制電路時有有緩沖電路時無緩沖電路時uCEiC圖di/dt抑制電路和充放電型RCD緩沖電路及波形a)電路b)波形■緩沖電路

◆右圖給出的是一種緩沖電路和di/dt抑制電路的電路圖。

◆在無緩沖電路的情況下，di/dt很大，關(guān)斷時du/dt很大，并出現(xiàn)很高的過電壓，如圖9-14b?！粼谟芯彌_電路的情況下

?V開通時，Cs先通過Rs向V放電，使iC先上一個臺階，以后因為Li的作用，iC的上升速度減慢。

?V關(guān)斷時，負載電流通過VDs向Cs分流，減輕了V的負擔，抑制了du/dt和過電壓。

?因為關(guān)斷時電路中（含布線）電感的能量要釋放，所以還會出現(xiàn)一定的過電壓。

42第七節(jié)電力電子器件的保護ADCB無緩沖電路有緩沖電路uCEiCO圖

關(guān)斷時的負載線圖

另外兩種常用的緩沖電路a)RC吸收電路b)放電阻止型RCD吸收電路

◆關(guān)斷過程

?無緩沖電路時，uCE迅速上升，負載線從A移動到B，之后iC才下降到漏電流的大小，負載線隨之移動到C。

?有緩沖電路時，由于Cs的分流使iC在uCE開始上升的同時就下降，因此負載線經(jīng)過D到達C。

?負載線在到達B時很可能超出安全區(qū)，使V受到損壞，而負載線ADC是很安全的，且損耗小。◆另外兩種常用的緩沖電路形式

?RC緩沖電路主要用于小容量器件，而放電阻止型