一種大功率相控整流觸發電路

胡青長

(維蒙特工業(中國)有限公司，上海 200122)

一種大功率相控整流觸發電路

胡青長

(維蒙特工業(中國)有限公司，上海 200122)

分析了一種以PUT(程控單結晶體管)為核心的新型晶閘管相控整流觸發電路的工作原理，該觸發電路適用于六相半波整流，提高了變壓器的使用效率。詳細說明了其與傳統單結晶體管觸發電路相比的優點以及與數字集成觸發電路相比的經濟性。采用此種觸發電路具有性能可靠、電路結構簡單、性價比高的優點，特別適宜于低電壓、大電流的工作場合，如電鍍電解和大功率弧焊電源。

晶閘管觸發電路；程控單結晶體管；電路分析

0 前言

在電力電子技術中，幾乎所有的電力電子裝置都需應用整流電路，故AC／DC變換電路始終是人們關注和研究的重點。自半導體材料發明以來，人們就致力于利用半導體二極管的單向導電性來實現AC／DC的變換，但是由于二極管的不可控性，使其應用受到限制。

目前在電力電子整流電路中應用最多的是利用可控整流器件來實現可控整流。而其中由晶閘管VT構成的相控整流電路是實際工業設備中應用最為廣泛的。由于晶閘管不具備自關斷性，所以為了實現大功率、高可靠的可控整流，晶閘管的觸發電路就至關重要。在此討論的是一種性能穩定、生產成本較低的以程控單結晶體管PUT為核心的六相半波晶閘管相控整流觸發電路。

1 電路原理

晶閘管相控整流式電源系統如圖1所示，它是利用正常的漏磁降壓變壓器電壓，然后再采用晶閘管整流將交流電變成直流電。

圖1 晶閘管相控整流電源系統框圖

晶閘管觸發電路在可控整流電路中的作用是向晶閘管提供門極電壓和電流，使晶閘管在需要導通的時候導通，并根據控制要求決定晶閘管的導通時刻，對電源的輸出電壓、電流進行控制。觸發電路就是通過輸出觸發信號來實現對晶閘管的控制，其電路原理如圖2所示。

圖2 觸發電路作用示意

在大功率相控整流電路中，由于三相半波可控整流的變壓器流過直流易使鐵心飽和，變壓器效率差。如果變壓器二次側有兩組三相繞組，一組為a1，b1，c1；另一組為a2，b2，c2；且兩組三相電壓相等，但極性相反，它們分別供給同一個負載，則分別構成兩個三相半波可控整流電路即形成六相半波可控整流電路。由于這個電路使用同一個變壓器，提高了變壓器的使用效率，克服了三相半波整流電路變壓器流過直流的缺點。其整流波形與三相橋式全控整流相似，輸出電壓每周期有六個波峰，脈動較小。但六相半波可控整流電路的觸發電路較為簡單，每個晶閘管在一個周期內最多只導通60°；而三相橋式全控整流為120°，觸發電路復雜，增加了調試與維修的難度。另外由于六相半波可控整流電路的晶閘管和變壓器的負載率相對三相橋式全控整流較低，故特別適合用于大功率的可控整流電路。六相半波整流電路的原理如圖3所示。

六個晶閘管VT1～VT6如圖3a所示；各相電壓波形如圖3c所示。顯然相電壓Ua1的相角60°處是六相半波可控整流電路的自然換相點，即此時α＝0°。在0°≤α≤60°時輸出波形連續，且有Ud＝1.35U2cosα；在60°＜α時輸出波形不連續，且有Ud＝1.35U2cos[1+ (60°+α)]。

可見其輸出電壓的平均值Ud隨α的增大而減小，當α＝120°時Ud＝0，即六相半波純阻性負載的理論移相范圍為120°，但實際應用中如有大電感負載時，當α＝90°時Ud＝0，即移相范圍變為90°。由于六相半波可控整流電路的特點，故其特別適合用于低電壓、大電流場合，如電解、電鍍加工以及大功率弧焊電源。

2 電路原理和過程分析

以PUT(程控單結晶體管)為核心的六相半波同步觸發電路如圖4所示。

該電路是對六相中的正反兩相的觸發控制，其余兩組正反兩相的觸發控制是相同的，故只需分析其中一組即可。

該觸發電路的特點如下：

(1)在同步信號輸入端的電壓為76 V AC，在輸入端并聯一壓敏電阻RV，對觸發電路進行過電壓保護，也就是對VT1、VT2進行過電壓保護。

(2)同步信號引入后由VLD1發光二極管對其進行顯示，如因某種原因造成整流輸出不穩定，就可以快速查找故障原因以便及時排除。

(3)VD1、VD2、VD3、VD5構成VT1、VT2的回路，在VT1、VT2觸發導通后給主回路的大功率VT提供足夠功率的觸發脈沖，VD1、VD5起半波整流作用，其型號是IN4007普通整流二極管。

(4)VD1、VD2與VD4、VD5構成PUT的陽極-陰極回路，將同步電壓信號加在PUT的陽極上，以形成使PUT張弛振蕩所需的峰點電壓Up，如圖5所示。

(5)R4、C1和R5、C2是對VT1、VT2的阻容串聯保護，進一步對VT1、VT2進行過電壓保護。

(6)R6與VS1構成PUT張弛振蕩所需的梯形波電壓UB(見圖6)；其中R6＝1.5 kΩ，VS1齊納穩壓二極管起削波作用，其型號是IN4747A，穩壓值為20 V。

(7)R7、R8構成PUT的分流回路，以保證PUT的負載電流小于PUT谷點所對應的陽極電流Iv，確保PUT工作在振蕩狀態。

(8)由于PUT本身的參數存在分散性，即使它們的型號相同，參數也不盡相同，為避免由于各組晶閘管的導通角不同造成的三相不平衡，需要調整電路參數，圖中的RP*電位器就是用來彌補PUT之間參數的不一致，調節此電位器可使三組(六套)輸出脈沖對稱。

(9)PUT張弛振蕩及脈沖輸出。

根據圖5、圖6可知，在C3剛開始充電時，由于C3的電位低，VD8導通，來自R6的電流經RP*及R7同時對C3進行充電，使C3在充電初期電位上升較快，隨著C3電位的上升VD8反偏，僅有RP*對C3進行充電，故上升較慢。

當C3上的電壓達到Up(PUT的峰點電壓)后，由圖5可知，PUT即進入負阻區，并在R11上形成一脈沖電壓Ug。

由于Uk是外加控制移相電壓，而只要Up比Uk高出一個二極管的正向電壓就可通過C3經PUT的突然導通而放電，輸出一脈沖電壓。

故只要改變Uk外加控制移相電壓，則使PUT進入負阻區的電容C3的充電電壓相應改變，根據電容充電的V-t曲線可知：

式中 Uc為C3上的充電電壓。

由于UB，k，τ為常數，所以當Uc高時所需的充電時間就長一些，反之則短一些，這樣通過選擇不同參數的RP*、R7、R8、C3；在最小Uk確定后就能得到不同的最小脈沖產生時間t0。通過Uk外加控制移相電壓的變化，就可使初始脈沖在t0后的某一時刻形成，從而觸發VT1、VT2，而后又通過VT1、VT2對此觸發信號進行功率放大，形成大功率的觸發信號觸發主電路的晶閘管，最終實現對主電路的晶閘管的移相控制。這樣一旦電路參數確定后，Uk越高，則α就越大，也即輸出越小，Uk一般取15～25 V。

另外VD7在正常情況下截止，如一旦因某種原因突然斷電，則VD7由截止變成導通，使C3內的充電電荷快速通過VD7、R7、R8進行釋放，保護PUT。

(10)該電路采用PUT代替傳統的UJT觸發電路。

由于PUT比傳統的UJT靈敏度高，而UJT的正向壓降較高(PUT的動態電阻一般為UJT的1／10，僅為2Ω)，故UJT的能耗高，相應結溫也高，所以PUT比傳統的UJT更安全可靠。UJT的分壓比η和峰點電壓不能自由調節，故由其構成的觸發電路一般都需經過在三極管基極加上輸入控制電壓信號進行移相；不能像PUT那樣直接在控制極加一控制電壓，所以PUT觸發電路更加簡單可靠；PUT的移相范圍容易調節，不會出現傳統UJT觸發電路中由于移相使晶閘管達到某一導通角后，再調大導通角時使UJT產生張弛振蕩的電容充不上電而關斷。

(11)該電路采用VT1、VT2對由PUT產生的觸發脈沖進行功率放大，取代了傳統脈沖變壓器功放輸出。避免了在變壓器上形成的反電動勢和磁飽和問題，且與傳統的脈沖變壓器相比成本低、體積小、易于在電路板上安裝。該電路采用的VT1、VT2是小功率晶閘管，型號為T106D1。

由于觸發電路中的R20、R21僅為5Ω，故VT1、VT2的輸出極與主電路的晶閘管之間不存在不等電位問題，因此采用了脈沖信號經小功率晶閘管功放后直接輸出到主電路的晶閘管，使該電路結構更加簡單、可靠。

主電路采用的晶閘管是采用KTA平板式(半凸型)金屬殼封裝的大功率晶閘管，其正向額定電流470 A，正向阻斷峰值電壓300 V，該晶閘管適宜于低電壓、大電流的工作場合。

(12)電路中的R16與發光二極管VLD2共同構成觸發信號輸出顯示電路，一旦該觸發電路正常工作則VLD2燈亮，否則熄滅，以便快速排除故障。

Research on a high-power phase control trigger circuit

HU Qing-chang
(Valmont Industries(China)Ltd.，Shanghai 200122，China)

This artical make a deep analysis of a new type of SCR trigger circuit which use PUT.This trigger circuit is used for the 6 phase half wave rectifier circuit with higher efficiency.It has a simple structure but higher stablity than the traditional UJT trigger circuit.And compare with the sophisticate digital-IC trigger circuit and a low manufacture cost.In brief，this 6 phase half wave trigger circuit is very suitable for low voltage and large current output requirement such as the power source for electroplate，electrolysis and arc welding.

SCR trigger；programmable unijunction transistor；electronic circuit analyisis

TG403

A

1001-2303(2010)01-0051-04

2009-02-16；

2009-10-23

胡青長(1966—)，男，上海人，學士，主要從事主要從事公司出口產品的安裝、售后服務及公司新產品的開發工作。