三相相控電路驅(qū)動

1、2010-2011 ( 2)劉剛-電力電子技術(shù)教案22第一講三相相控電路的驅(qū)動控制相控電路的應(yīng)用之一是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。為保證相控電路正常工作，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(xí)慣稱為觸發(fā)電路。大、中功 率的變流器晶閘管觸發(fā)電路以同步信號為鋸齒波的觸發(fā)電路應(yīng)用最多。2.9.1同步信號為鋸齒波的觸發(fā)電路觸發(fā)脈沖輸出可以是雙窄脈沖（適用于有兩個晶閘管同時導(dǎo)通的電路），也可以是單窄脈沖。雙窄脈沖觸發(fā)全控橋的脈沖順序圖及觸發(fā)電路環(huán)形結(jié)構(gòu)圖如圖1所示，需六個相對獨(dú)立模塊環(huán)形連接，

2、每個模塊一個周期內(nèi)產(chǎn)生兩個脈沖VT4minVT3VT42YCF3CF43X 3Y4X 4YVT5VT62CF5CF65X 5Y6X 6Yin町 & tun圖1雙窄脈沖觸發(fā)全空橋脈沖順序圖及觸發(fā)電路環(huán)形結(jié)構(gòu)圖每個觸發(fā)脈沖模塊應(yīng)包括以下幾個環(huán)節(jié)：（1）同步環(huán)節(jié)；（2）鋸齒波形成和 脈沖移相環(huán)節(jié)；（3）脈沖的形成與放大環(huán)節(jié)；（4）雙窄脈沖形成環(huán)節(jié)；（5）強(qiáng)觸 發(fā)環(huán)節(jié)；（6）脈沖封鎖環(huán)節(jié)。電路如圖2所示，各點(diǎn)波形圖如圖3所示。1、同步環(huán)節(jié)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、VD1、VD2、C1、R1和晶體管V2組成。同步變壓器和整流 變壓器接在同一電源上

3、，同步變壓器的二次電壓控制 V2的通斷，保證了觸發(fā)脈 沖與主電路電源同步。此電路中鋸齒波起始點(diǎn)對應(yīng)交流電由正變負(fù)過零點(diǎn)，是由開關(guān)V2管控制的。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(dǎo)通變截止期間產(chǎn)生鋸齒波，鋸齒波起點(diǎn)基本就是同步電壓 由正變負(fù)的過零點(diǎn)。| 15 Vo10vqQrVD1VD曠礦九C220V衣鮎VVS2S%RPc25VDflvd4vcT51V7v%zz:卩0RP6 6%T，V圖2同步信號為鋸齒波的觸發(fā)電路 oX Y -15Vi丄接封鎖信號工作過程如下:（1）同步電壓UTS經(jīng)二極管VD1加在V2的基極上。當(dāng)電壓波形在負(fù)半周 的下降段時，因Q點(diǎn)為零電位

4、，R點(diǎn)為負(fù)電位，VD1導(dǎo)通，電容C1被迅速反向 充電。Q點(diǎn)電位與R點(diǎn)相近，故在這一階段 V2基極為反向偏置，V2截止。（2）在負(fù)半周的上升段，+15V電源通過R1給電容C1正向充電，其上升 速度比uts波形慢，故VD1截止，uq為電容反向充電波形。當(dāng)Q點(diǎn)電位達(dá)1.4V 時，V2導(dǎo)通，Q點(diǎn)電位被鉗位在1.4V。直到TS二次電壓的下一個負(fù)半周到來， VD1重新導(dǎo)通，C1放電后又被反向充電，V2截止。（3）如此循環(huán)往復(fù)，在一個正弦波周期內(nèi)，包括截止與導(dǎo)通兩個狀態(tài)，對應(yīng)鋸齒波波形恰好是一個周期，與主電路電源頻率和相位完全同步，達(dá)到同步的 目的?？梢钥闯鲣忼X波的寬度是由充電時間常數(shù)R1C1決定的。2、鋸

5、齒波的形成和脈沖移相環(huán)節(jié)鋸齒波電壓形成電路由V1、V2、V3和C2等元件組成，其中V1、VS、RP2 和R3為一恒流源電路。工作過程如下：（1）當(dāng)V2截止時，恒流源電流he對電容C2充電，所以C2兩端的電壓 uc為;uc1= .l1cdt Igteuc按線性增長，即Ub3按線性增長。調(diào)節(jié)電位器RP2,可以改變C2的恒定充電電流lie。(2) 當(dāng) V 導(dǎo)通時，因R4很小所以C2迅速放電，使得ub3電位迅速降到 零伏附近。當(dāng)V2周期性關(guān)斷和導(dǎo)通時，ub3便形成一鋸齒波。射極跟隨器 V3 的作用是減小控制回路電流對鋸齒波電壓 ub3的影響。圖3全控整流橋觸發(fā)電路各點(diǎn)波形圖(3) V4基極電位是鋸齒波

6、電壓、控制電壓 uco、直流偏移電壓up三者疊 加，它們分別通過電阻 R6、R7、R8與V4基極連接。根據(jù)疊加原理，先設(shè)Uh為鋸齒波電壓Ue3單獨(dú)作用在基極時的電壓，其值為:Uh=Ue3R7/R8R6 （R7R8）所以Uh仍為鋸齒波，但斜率比Ue3低。同理，直流偏移電壓Up單獨(dú)作用在V4基極時的電壓up為:Up=UPR6/R7R8 （R6/R7）所以，Up仍為一條與Up平行的直線，但絕對值比Up小;控制電壓Uco單獨(dú)作用在V4基極時的電壓U；0為：Uc0=Uc0R6R8R7 （R6R8）仍為一條與Uco平行的直線，但絕對值比Uco小。當(dāng)V4不導(dǎo)通時，V4的基極b4的波形由Uh Up Uco確定

7、。當(dāng)b4點(diǎn)電壓等 于0.7V后，V4導(dǎo)通。產(chǎn)生觸發(fā)脈沖。改變 Uco便可以改變脈沖產(chǎn)生時刻，脈沖 被移相。力卩Up的目的是為了確定控制電壓 Uco=0時脈沖的初始相位。以三相全控橋?yàn)槔?dāng)接反電勢電感負(fù)載時，脈沖初始相位應(yīng)定在 a =90 ; 當(dāng)Uco=0時，調(diào)節(jié)Up的大小使產(chǎn)生脈沖的M點(diǎn)對應(yīng)a =90的位置。當(dāng)Uco為0， a =90，則輸出電壓為0；女口 Uco為正值，M點(diǎn)就向前移，控制角a 90，處于逆變狀態(tài)。3、脈沖的形成與放大V4、V5構(gòu)成脈沖形成電路；V7、V8構(gòu)成脈沖放大電路?？刂齐妷?uco加 在V4基極上。脈沖前沿由V4導(dǎo)通時刻確定，脈沖寬度與反向充電回路時間常 數(shù)R11C3

8、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。工作過程如下：(1)當(dāng)V4的基極電壓Uco=0時，V4截止。+15V電源通過R11、R10提供 給V5、V6 一個足夠大的基極電流，使 V5飽、V6和導(dǎo)通。所以V5集電極電壓 接近于-15V，V7、V8處于截止?fàn)顟B(tài)，無脈沖輸出。電源 +15V經(jīng)R9、V5的發(fā) 射極和V6到-15V對電容C3充電，充滿后電容兩端電壓接近 30V。(2)當(dāng)Uco0.7V時，V4導(dǎo)通。A點(diǎn)電位從+15V突降到1V，由于電容C3 兩端電壓不能突變，所以 V5基極電位也突降到-30V, V5基射極反偏置，V5立 即截止。它的集電極電壓由-

9、15V迅速上升到鉗位電壓2.1V時，使得V7、V8導(dǎo) 通，輸出觸發(fā)脈沖。V6工作過程與V5類似，另一模塊提供的丫端驅(qū)動信號與本級的X端輸出 信號相同。無動作時接近+15V給另一個C3充電約為30V;動作時約為1V，使 V6基極突降至-30V，V6截止使得V7、V8導(dǎo)通，輸出另一個觸發(fā)脈沖。（3）同時電容C3由+E1經(jīng)R11、VD4、V4放電并反向充電，使 V5基極電 位逐漸上升。直到 V5基極電位Ub5 -15V，V5又重新導(dǎo)通。這時V5集電極電 壓又立即降到-15V，使V7、V8截止，輸出脈沖終止?？梢?，脈沖前沿由 V4導(dǎo) 通時刻確定，脈沖寬度由反向充電時間常數(shù) R11C3決定。4、雙窄脈沖

10、形成環(huán)節(jié)V5、V6構(gòu)成負(fù)邏輯“或”門，當(dāng) V5、V6都導(dǎo)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(dǎo)通，有脈沖輸出。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年目位的后一相觸發(fā)單元產(chǎn)生（通過 V6 ）。觸發(fā)電路自身在一個周 期內(nèi)可輸出兩個間隔60的脈沖，屬內(nèi)雙脈沖電路。其中 VD4和R17的作用主 要是防止雙脈沖信號相互干擾。因此本電路可以產(chǎn)生符合要求的雙脈沖。 在三相 橋式全控整流電路中，雙脈沖環(huán)節(jié)的可按圖4接線。六個觸發(fā)器的連接順序是：1Y-2X、2Y-3X、3Y-4X、4Y-5X、5Y-6X、6Y-1X。圖

11、4雙脈沖環(huán)節(jié)觸發(fā)單元接線圖5、強(qiáng)觸發(fā)環(huán)節(jié)36V交流電壓經(jīng)整流、濾波后得到 50V直流電壓，經(jīng)R15對C6充電，B點(diǎn) 電位為50V。當(dāng)V8導(dǎo)通時，C6經(jīng)脈沖變壓器一次側(cè) R16、V8迅速放電，形成 脈沖尖峰，由于有R15的電阻，且電容C6的存儲能量有限，B點(diǎn)電位迅速下降。 當(dāng)B點(diǎn)電位下降到14.3V時，VD15導(dǎo)通，B點(diǎn)電位被15V電源鉗位在14.3V， 形成脈沖平臺。C5組成加速電路，用來提高觸發(fā)脈沖前沿陡度。&脈沖封鎖二極管VD5陰極接零電位或負(fù)電位，使V7、V8截止，可以實(shí)現(xiàn)脈沖封鎖。2.9.3觸發(fā)電路的定相觸發(fā)電路的定相一一觸發(fā)電路應(yīng)保證每個晶閘管觸發(fā)脈沖與施加于晶閘管的交流電壓保持固定

12、、正確的相位關(guān)系。三相全控橋中同步電壓與主電路電壓關(guān) 系示意圖如圖10所示。措施：1、同步變壓器原邊接入為主電路供電的電網(wǎng)，保證頻率一致。2、觸發(fā)電路定相的關(guān)鍵是確定同步信號與晶閘管陽極電壓的關(guān)系圖10三相全控橋中同步電壓與主電路電壓關(guān)系示意圖變壓器接法：主電路整流變壓器為 D,y-11聯(lián)結(jié)，同步變壓器為D,y-11,5聯(lián) 結(jié)，其接法及矢量圖如圖10所示。 -17圖10同步變壓器和整流變壓器的接法及矢量圖4、基于TC787芯片的三相相控觸發(fā)電路如圖5所示。r 二圖5基于TC787芯片的三相相控觸發(fā)電路5、三相觸發(fā)信號驅(qū)動電路如圖6所示U 圖6三相觸發(fā)信號驅(qū)動電路附錄2 TC787芯片資料TC7

13、87和TC788是采用獨(dú)有的先進(jìn)IC工藝技術(shù)，并參照國外最新集成移相觸發(fā)集成電 路而設(shè)計(jì)的單片集成電路。它可單電源工作，亦可雙電源工作，主要適用于三相晶閘管移相觸發(fā)和三相功率晶體管脈寬調(diào)制電路，以構(gòu)成多種交流調(diào)速和變流裝置。它們是目前國內(nèi)市場上廣泛流行的TCA785及 KJ(或KC)系列移相觸發(fā)集成電路的換代產(chǎn)品，與TCA785及 KJ(或KC)系列集成電路相比，具有功耗小、功能強(qiáng)、輸入阻抗高、抗干擾性能好、移相范圍寬、 外接元件少等優(yōu)點(diǎn)，而且裝調(diào)簡便、使用可靠，只需一個這樣的集成電路，就可完成3只TCA785與 1 只 KJ041、1 只 KJ042 或 5 只 KJ(3 只 KJ004、1

14、 只 KJ041、1 只 KJ042)(或 KC)系 列器件組合才能具有的三相移相功能。因此， TC787/TC788可廣泛應(yīng)用于三相半控、三相全 控、三相過零等電力電子、 機(jī)電一體化產(chǎn)品的移相觸發(fā)系統(tǒng)， 從而取代TCA785 KJ004、KJ009、 KJ041、KJ042等同類電路，為提高整機(jī)壽命、縮小體積、降低成本提供了一種新的、更加 有效的途徑。TC787(或 TC788)的引腳排列如圖1所示。TC787-rrr珀竊 4 acbG A SSJSRTTKUn B圖1 TC787(或TC788)的引腳排列(引腳向下)各引腳的名稱、功能及用法如下：(1) 同步電壓輸入端：引腳 1(Vc)、引

15、腳2(Vb)及引腳18(Va)為三相同步輸入電壓連接端。應(yīng)用中，分別接經(jīng)輸入濾波后的同步電壓，同步電壓的峰值應(yīng)不超過TC787/TC788的工作電源電壓VDD(2) 脈沖輸出端：在半控單脈沖工作模式下，引腳8(C)、引腳10(B)、引腳12(A)分別為與三相同步電壓正半周對應(yīng)的同相觸發(fā)脈沖輸出端，而引腳7(-B)、引腳9(-A)、引腳11(-C)分別為與三相同步電壓負(fù)半周對應(yīng)的反相觸發(fā)脈沖輸出端。當(dāng)TC787或TC788被設(shè)置為全控雙窄脈沖工作方式時，引腳8為與三相同步電壓中 C相正半周及B相負(fù)半周對應(yīng)的兩個脈沖輸出端；弓I腳12為與三相同步電壓中 A相正半周及C相負(fù)半周對應(yīng)的兩個脈沖輸出端；

16、弓I 腳11為與三相同步電壓中C相負(fù)半周及B相正半周對應(yīng)的兩個脈沖輸出端；引腳 9為與三相同步電壓中A相同步電壓負(fù)半周及 C相電壓正半周對應(yīng)的兩個脈沖輸出端；引腳7為與三相同步電壓中B相電壓負(fù)半周及 A相電壓正半周對應(yīng)的兩個脈沖輸出端；引腳10為與三相同步電壓中B相正半周及A相負(fù)半周對應(yīng)的兩個脈沖輸出端。應(yīng)用中，均接脈沖功率放大環(huán)節(jié)的輸入或脈沖變壓器所驅(qū)動開關(guān)管的控制極。(3) 控制端： 弓I腳4(Vr):移相控制電壓輸入端。 該端輸入電壓的高低，直接決定著TC787/TC788輸出脈沖的移相范圍，應(yīng)用中接給定環(huán)節(jié)輸出， 其電壓幅值最大為 TC787/TC788的工作電源電壓VDD 引腳5(P

17、i):輸出脈沖禁止端。該端用來進(jìn)行故障狀態(tài)下封鎖TC787/TC788的輸出，高電平有效，應(yīng)用中，接保護(hù)電路的輸出。 引腳6(Pc) : TC787/TC788工作方式設(shè)置端。當(dāng)該端接高電平時，TC787/TC788輸出雙脈沖列；而當(dāng)該端接低電平時，輸出單脈沖列。 弓I腳13(Cx):該端連接的電容 Cx的容量決定著 TC787或TC788輸出脈沖的寬度， 電容的容量越大，則脈沖寬度越寬。 引腳14(Cb)、引腳15(Cc)、引腳16(Ca):對應(yīng)三相同步電壓的鋸齒波電容連接端。該端連接的電容值大小決定了移相鋸齒波的斜率和幅值，應(yīng)用中分別通過一個相同容量的電容接地。(4) 電源端：TC787/

18、TC788可單電源工作，亦可雙電源工作。 單電源工作時引腳 3(VSS)接地，而引腳17(VDD)允許施加的電壓為 818V。雙電源工作時，引腳3(VSS)接負(fù)電源，其允許施加的電壓幅值為 -4-9V，引腳17(VDD)接正電源，允許施加的電壓為+4+9V。(二) 內(nèi)部結(jié)構(gòu)及工作原理簡介TC787/TC788的內(nèi)部結(jié)構(gòu)及工作原理框圖如圖2所示。S過礬押援住惟囲過寥和據(jù)住嶺則圖2 TC787/TC788的內(nèi)部結(jié)構(gòu)及工作原理框圖三個鋸齒波形成單元、 三個比由圖可知，在它們內(nèi)部集成有三個過零和極性檢測單元、較器、一個脈沖發(fā)生器、一個抗干擾鎖定電路、一個脈沖形成電路、一個脈沖分配及驅(qū)動電 路。它們的工

19、作原理可簡述為：經(jīng)濾波后的三相同步電壓通過過零和極性檢測單元檢測出零 點(diǎn)和極性后，作為內(nèi)部三個恒流源的控制信號。三個恒流源輸出的恒值電流給三個等值電容Ca Cb Cc恒流充電，形成良好的等斜率鋸齒波。鋸齒波形成單元輸出的鋸齒波與移相控 制電壓Vr比較后取得交相點(diǎn)，該交相點(diǎn)經(jīng)集成電路內(nèi)部的抗干擾鎖定電路鎖定，保證交相 唯一而穩(wěn)定，使交相點(diǎn)以后的鋸齒波或移相電壓的波動不影響輸出。該交相信號與脈沖發(fā)生器輸出的脈沖(對TC787為調(diào)制脈沖，對TC788為方波)信號經(jīng)脈沖形成電路處理后變?yōu)榕c三 相輸入同步信號相位對應(yīng)且與移相電壓大小適應(yīng)的脈沖信號送到脈沖分配及驅(qū)動電路。假設(shè)系統(tǒng)未發(fā)生過電流、 過電壓或其

20、它非正常情況，則引腳5禁止端的信號無效， 此時脈沖分配電路根據(jù)用戶在引腳 6設(shè)定的狀態(tài)完成雙脈沖(引腳6為高電平)或單脈沖(引腳6為低電平) 的分配功能，并經(jīng)輸出驅(qū)動電路功率放大后輸出，一旦系統(tǒng)發(fā)生過電流、過電壓或其它非正常情況，則引腳5禁止信號有效，脈沖分配和驅(qū)動電路內(nèi)部的邏輯電路動作，封鎖脈沖輸出，確保集成電路的6個引腳12、11、10、9、8、7輸出全為低電平。(三) 基本設(shè)計(jì)特點(diǎn)1 主要設(shè)計(jì)特點(diǎn)(1) TC787適用于主功率器件是晶閘管的三相全控橋或其他拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)電路的系統(tǒng)中作為晶閘管的移相觸發(fā)電路。而TC788適用于以功率晶體管(GTR)或絕緣柵雙極晶體管(IGBT)為功率單元的三相全

21、橋或其他拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)電路的系統(tǒng)中作為脈寬調(diào)制波產(chǎn)生電路，且任一種芯片均可同時產(chǎn)生六路相序互差60的輸出脈沖。(2) TC787/TC788在單、雙電源下均可工作，使其適用電源的范圍較廣泛，它們輸出三相觸發(fā)脈沖的觸發(fā)控制角可在0180 范圍內(nèi)連續(xù)同步改變。它們對零點(diǎn)的識別非?？煽?，使它們可方便地用作過零開關(guān)，同時器件內(nèi)部設(shè)計(jì)有移相控制電壓與同步鋸齒波電壓交點(diǎn) (交相)的鎖定電路，抗干擾能力極強(qiáng)。電路自身具有輸出禁止端，使用戶可在過電流、 過電壓時進(jìn)行保護(hù)，保證系統(tǒng)安全。(3) TC787/TC788分別具有A型和B型器件，使用戶可方便地根據(jù)自己應(yīng)用系統(tǒng)所需要的工作頻率來選擇(工頻時選A型器件，中頻1

22、00400Hz時選B型器件)。同時，TC787輸 出為脈沖列，適用于觸發(fā)晶閘管及感性負(fù)載；TC788輸出為方波，適用于驅(qū)動晶體管。因兩種集成電路引腳完全相同，故增加了用戶控制用印制電路板的通用性，使同一印制電路板只需要互換集成電路便可用于控制晶閘管或晶體管。(4) TC787/TC788可方便地通過改變引腳 6的電平高低，來設(shè)置其輸出為雙脈沖列還是 單脈沖列。2 主要電參數(shù)和限制(1) 工作電源電壓 VDD 818V或土 5V土 9V;(2) 輸入同步電壓有效值：W (1/2 2)VDD;(3) 輸入控制信號電壓范圍：0VDD(4) 輸出脈沖電流最大值：20mA(5) 鋸齒波電容取值范圍：0.10.15 ;(6) 脈寬電容取值范圍：3300pF0.01卩F;(7) 移相范圍：0177 ;(8) 工作溫度范圍：0+55C。(四) TC787/TC788應(yīng)用舉例TC787/TC788獨(dú)特而巧妙的設(shè)計(jì)，使它們可方便地用于主功率器件為普通晶閘管、雙向晶