對(duì)晶閘管自供電門(mén)極驅(qū)動(dòng)技術(shù)的研究

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摘要：中壓場(chǎng)合晶閘管的觸發(fā)裝置與低壓情況不同，隔離更加困難，由于晶閘管的陰極電位可能非常高，傳統(tǒng)觸發(fā)裝置所必需的直流電源較難實(shí)現(xiàn)。晶閘管自供電門(mén)極驅(qū)動(dòng)器能很好的解決該問(wèn)題。它利用耦合取能原理，在晶閘管關(guān)斷的時(shí)段積蓄并保持能量，在觸發(fā)命令下利用存儲(chǔ)的能量獨(dú)自打開(kāi)晶閘管。它自成模塊，省去了獨(dú)立的電源板或輔助供電版，節(jié)省了空間，降低了成本。實(shí)驗(yàn)證明該驅(qū)動(dòng)器效果理想，有廣闊的發(fā)展前景。

1引言

近年來(lái)，中壓變頻驅(qū)動(dòng)器和交流電動(dòng)機(jī)軟起動(dòng)器的應(yīng)用日益增加，這大大推動(dòng)了SCR門(mén)極觸發(fā)裝置的發(fā)展。中壓設(shè)備中晶閘管控制觸發(fā)電路的設(shè)計(jì)與低壓設(shè)備不同，低壓設(shè)備中晶閘管控制觸發(fā)的設(shè)計(jì)比較關(guān)鍵的部分是設(shè)計(jì)隔離變壓器，此變壓器不僅起到了控制觸發(fā)晶閘管的作用，同時(shí)也起到了信號(hào)隔離的作用，它能將控制電路信號(hào)與主電路信號(hào)隔離，防止主電路對(duì)控制電路的信號(hào)干擾。但此變壓器在中壓軟起動(dòng)設(shè)計(jì)中，就很難實(shí)現(xiàn)，最主要的原因也就是它的信號(hào)隔離作用很不理想，絕緣等級(jí)不夠高，電磁干擾也較大。于是人們著手研究中壓晶閘管閥行之有效的觸發(fā)隔離方式。從目前的研究水平來(lái)看，用光纖觸發(fā)晶閘管并起到電氣隔離的作用是一種相當(dāng)不錯(cuò)的選擇。很多人已經(jīng)開(kāi)始重視光纖的發(fā)展前途，并設(shè)計(jì)了一些應(yīng)用電路。但還有一個(gè)關(guān)鍵問(wèn)題一直解決得不夠完善，即：在光纖的接受端需要一個(gè)+5V的直流電源，這個(gè)電源的地端與晶閘管的陰極等電位,而晶閘管的陰極電位可能非常高，甚至達(dá)到上萬(wàn)伏。雖然主電路的電壓可以很高，但要得到一個(gè)穩(wěn)定的5V直流電源并不容易，采用高耐壓等級(jí)的隔離變壓器,不僅制造困難,而且成本高，很不劃算，此時(shí)晶閘管自供電門(mén)極驅(qū)動(dòng)（SSGD）技術(shù)進(jìn)入了人們的視線(xiàn)。它基于耦合取能的原理，并使得晶閘管觸發(fā)控制的設(shè)計(jì)中不再需要獨(dú)立的電源板或輔助供電板。應(yīng)用SSGD的最大好處就是SSGD自成模塊，它降低了中壓軟起動(dòng)設(shè)備的制造費(fèi)用，同時(shí)也大量的節(jié)省了空間，另外SSGD的應(yīng)用也解決了中壓設(shè)備中信號(hào)難于隔離的問(wèn)題，因而有廣闊的發(fā)展前景。

2SSGD技術(shù)的原理

2.1一般的耦合取能電路

SSGD技術(shù)基于耦合取能原理，一般的耦合取能電路如圖所示。

如圖1所示，V1為主晶閘管,、構(gòu)成與晶閘管并聯(lián)的阻容吸收回路，XF為限幅電路。當(dāng)晶閘管V1處于正向阻斷時(shí),電流為正向,向電容、充電。當(dāng)電容的端電壓超過(guò)限幅值時(shí),限幅電路動(dòng)作，V3二極管截止，停止給充電。電容的端電壓保持為限幅值,把電容的儲(chǔ)能可以用作觸發(fā)系統(tǒng)的工作電源；觸發(fā)晶閘管V1時(shí),電容通過(guò)V1的門(mén)極放電；晶閘管V1處于反向阻斷時(shí),為負(fù)向，V2構(gòu)成旁通支路,電容被反向充電；當(dāng)晶閘管V1再次處于正向阻斷時(shí),電容已帶有下正上負(fù)的電荷,有助于電容被更快地充電。如此循環(huán)往復(fù)。由于取能電路的等效阻抗為容性,并且遠(yuǎn)小于緩沖電路阻抗，這樣既不影響阻容吸收,又能耦合取能。

2.2改進(jìn)的耦合取能電路

實(shí)際當(dāng)中如果觸發(fā)角很小，晶閘管導(dǎo)通角變大，此時(shí)儲(chǔ)能電容上儲(chǔ)存的能量就很少了，如果晶閘管一直處于導(dǎo)通狀態(tài),則晶閘管兩端的電壓只能到2V左右，充到儲(chǔ)能電容上的電壓就更低,這顯然達(dá)不到要求。

為此，將一般的耦合取能電路進(jìn)行改進(jìn)，得到了下面的改進(jìn)的耦合取能電路。

與一般的耦合取能電路相比，在主電路中串聯(lián)一個(gè)電流變壓器。主電路處于截止?fàn)顟B(tài)時(shí)，由，進(jìn)行電壓耦合取能，為觸發(fā)電路提供電源。主電路導(dǎo)通之后，晶閘管上的壓降很低，不能再進(jìn)行電壓取能，在這種狀態(tài)下耦合取能的任務(wù)由電流變壓器來(lái)接替，進(jìn)行電流耦合取能。當(dāng)儲(chǔ)能電容器上的電壓達(dá)到一定的幅值，則限幅電路動(dòng)作，三極管VT導(dǎo)通，儲(chǔ)能過(guò)程停止，以防止上的電壓過(guò)高。晶閘管只有導(dǎo)通和截止兩種工作狀態(tài)：在截止時(shí)由電容進(jìn)行電壓耦合取能；導(dǎo)通時(shí)由電感進(jìn)行電流耦合取能，以此保證觸發(fā)電路在任何狀態(tài)下都能正常工作，完成觸發(fā)任務(wù)。另外，耦合取能電路得到的電源紋波比較大，電壓值也不能保證，不能直接用來(lái)給后續(xù)電路供電，需要進(jìn)行濾波和穩(wěn)壓。

2.3SSGD作為晶閘管觸發(fā)裝置的原理

SSGD自成模塊，典型的晶閘管自供電門(mén)極驅(qū)動(dòng)模塊如下圖所示：

首先介紹SSGD應(yīng)用在單個(gè)晶閘管的情況。

SSGD在單個(gè)晶閘管中應(yīng)用的電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖4所示,對(duì)電路的分析可以根據(jù)晶閘管的開(kāi)關(guān)狀態(tài)分為以下兩種情況：

2.3.1晶閘管關(guān)斷的時(shí)候

當(dāng)正弦電源的正半周波加在晶閘管上時(shí)，如圖所示，電流通過(guò)緩沖電阻和緩沖電容給儲(chǔ)能電容充電，直到上的電壓大于穩(wěn)壓二極管的截?cái)嚯妷海@時(shí)晶閘管被打開(kāi)，電流從流走，上的電壓保持限幅值。

2.3.2晶閘管開(kāi)通的時(shí)候

當(dāng)控制信號(hào)控制晶閘管開(kāi)通的時(shí)候，SSGD模塊內(nèi)部控制開(kāi)關(guān)接通，放電，如圖3所示，給晶閘管門(mén)極一個(gè)觸發(fā)信號(hào)，使晶閘管開(kāi)通。實(shí)際上，控制信號(hào)是由CPU發(fā)出的電信號(hào)轉(zhuǎn)換為光信號(hào)，這一光信號(hào)再控制SSGD模塊中開(kāi)關(guān)接通，這樣控制電路與主電路之間就沒(méi)有了電的聯(lián)系，從而實(shí)現(xiàn)了信號(hào)隔離。

下面進(jìn)一步看一下SSGD在反并聯(lián)晶閘管場(chǎng)合的應(yīng)用。

下面簡(jiǎn)單分析一下電路原理。

(1)CQ1上的初始電荷的積累過(guò)程(以CQ1為例說(shuō)明)

當(dāng)正弦電源電壓正半周波加在晶閘管上且兩個(gè)晶閘管都處于關(guān)斷狀態(tài)時(shí)，電流通過(guò)RS、CS、Cg1，給儲(chǔ)能電容CQ1充電，這時(shí)就積累了儲(chǔ)能電容Cq1上的初始電荷。

(2)當(dāng)SCR1、SCR2有一個(gè)開(kāi)通時(shí)（以SCR2開(kāi)通為例說(shuō)明）

當(dāng)控制信號(hào)控制晶閘管SCR2開(kāi)通，這時(shí)SSGD2模塊中的開(kāi)關(guān)閉合，積蓄在儲(chǔ)能電容CQ2上的能量放電，給晶閘管SCR2門(mén)極一個(gè)觸發(fā)信號(hào)，SCR2開(kāi)通。緩沖電容CS通過(guò)RS、Cg1放電，給儲(chǔ)能電容Cg1充電，如果儲(chǔ)能電容Cg1上的電壓超過(guò)穩(wěn)壓二極管的截?cái)嚯妷海@時(shí)就觸發(fā)了晶閘管SCRo1，電流通過(guò)SCRo1，這也是一種為儲(chǔ)能電容Cg1充電的情況。

(3)當(dāng)SCR1、SCR2都關(guān)斷時(shí)

與（1）中類(lèi)似，電流通過(guò)RS、CS、Cg1，給儲(chǔ)能電容Cg1充電，當(dāng)儲(chǔ)能電容上的電壓超過(guò)穩(wěn)壓二極管的截?cái)嚯妷簳r(shí)，觸發(fā)晶閘管SCRo1，電流從流過(guò)。

3實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)及結(jié)果

設(shè)計(jì)晶閘管自供電門(mén)極驅(qū)動(dòng)電路板用于觸發(fā)反并聯(lián)晶閘管，中壓電機(jī)軟啟動(dòng)所用的交流調(diào)壓電路拓?fù)渚褪欠床⒙?lián)晶閘管，由于是三相電路，總共要觸發(fā)6只晶閘管。

選取合適的電路元件參數(shù)，吸收回路的參數(shù)可按經(jīng)驗(yàn)公式算出，再考慮儲(chǔ)能電容的影響，不難算出實(shí)際有效的緩沖電容值為：

儲(chǔ)能電容Cg1和Cg2的值要遠(yuǎn)大于CS以產(chǎn)生R-C緩沖電路的性能，設(shè)計(jì)過(guò)程必須考慮到儲(chǔ)能電容上的電壓降。

設(shè)計(jì)的電路原理圖如下：

繪制PCB電路板，作相關(guān)實(shí)驗(yàn)，晶閘管觸發(fā)角為90°。考慮了光耦和光纖兩套觸發(fā)方案，采用選擇開(kāi)關(guān)可對(duì)觸發(fā)方式進(jìn)行選擇，得出以下實(shí)驗(yàn)波形。

每個(gè)儲(chǔ)能電容初始電荷的積累是靠晶閘管正向關(guān)段期間電源對(duì)其充電實(shí)現(xiàn)的。若兩管均關(guān)斷時(shí)，也是靠電源對(duì)其充電得到的。若是只有一管關(guān)斷，另一管開(kāi)通，此時(shí)主要是靠緩沖電容放電實(shí)現(xiàn)儲(chǔ)能。

從實(shí)驗(yàn)波形可以看出，晶閘管門(mén)極自控驅(qū)動(dòng)器實(shí)際工作效果還是比較理想的，在一定的觸發(fā)角條件下電容耦合取能足以有效打開(kāi)晶閘管。

4結(jié)論

晶閘管自供電門(mén)極驅(qū)動(dòng)器可以省去獨(dú)立的電源板或輔助供電板，它降低了中壓晶閘管觸發(fā)設(shè)備的制造費(fèi)用，同時(shí)也大量的節(jié)省了空間，另外SSGD的最大好處就是它自成模塊，同時(shí)解決了中壓設(shè)備中信號(hào)難于隔離的問(wèn)題。通過(guò)實(shí)驗(yàn)證明了晶閘管門(mén)極自控驅(qū)動(dòng)器觸發(fā)晶閘管系統(tǒng)的可行性，實(shí)驗(yàn)波形理想，該技術(shù)擁有廣闊的發(fā)展前景。