大功率晶閘管開關(guān)驅(qū)動電路狀態(tài)監(jiān)測設(shè)計(jì)＊

黃垂兵 潘啟軍 馬名中 李文祿 邢 旺

（海軍工程大學(xué)艦船綜合電力技術(shù)國防科技重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 武漢 430033）

1 引言

晶閘管能承受的電壓和電流容量仍然是目前電力電子器件中最高的，而且工作可靠，因此在高壓大電流電力電子裝置中仍然具有重要的地位［1］。晶閘管工作狀態(tài)（導(dǎo)通）受驅(qū)動信號的控制，當(dāng)工作環(huán)境比較惡劣（溫度較低），并且當(dāng)系統(tǒng)對晶閘管導(dǎo)通延時(shí)、開通陽極電壓下降率、開通時(shí)陽極電流上升率要求較高時(shí)，為了獲得最佳開關(guān)特性，減小開關(guān)應(yīng)力和開關(guān)損耗，就必須提供合適的觸發(fā)驅(qū)動信號［2～5］。當(dāng)晶閘管工作在較寬溫度范圍時(shí)，如－40℃～100℃，此時(shí)需要根據(jù)環(huán)境溫度給晶閘管門極提供相應(yīng)功率的驅(qū)動信號。

另外由于晶閘管工作在大功率場合，正常工作時(shí)其兩端電壓能達(dá)到幾千伏特，雖然驅(qū)動電路與晶閘管門－陰極之間使用隔離變壓器進(jìn)行了電氣隔離，但環(huán)境中的濕度過高會影響驅(qū)動電路的絕緣性能，嚴(yán)重時(shí)可導(dǎo)致災(zāi)難性故障。因此，需要對環(huán)境的濕度進(jìn)行監(jiān)控，以便在驅(qū)動電路工作環(huán)境濕度過高進(jìn)行報(bào)警并進(jìn)行采取相關(guān)措施進(jìn)行除濕［6～7］。

晶閘管一旦導(dǎo)通便不再受門極驅(qū)動信號控制，此時(shí)如果繼續(xù)給門極施加驅(qū)動信號，會降低驅(qū)動電路工作效率增大控制器熱損耗，同時(shí)也會增大晶閘管門極功率損耗而影響晶閘管工作壽命。如果在晶閘管已正常導(dǎo)通的條件下，撤去施加在晶閘管門極的驅(qū)動信號，便會大大提高晶閘管的壽命和驅(qū)動電路的工作效率［8～10］。

本文以某大功率晶閘管脈沖開關(guān)驅(qū)動電路為例，對驅(qū)動電路工作環(huán)境溫度、濕度監(jiān)測電路進(jìn)行詳細(xì)設(shè)計(jì)，并通過獲得的環(huán)境溫度值對濕度進(jìn)行校準(zhǔn)計(jì)算；另外通過分壓器獲取晶閘管陰陽極之間電壓值，從而判斷晶閘管的導(dǎo)通、關(guān)斷狀態(tài)，為觸發(fā)脈沖的產(chǎn)生和停止提供控制依據(jù)。實(shí)際應(yīng)用表明了設(shè)計(jì)的準(zhǔn)確性和可行性。

2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及工作原理

晶閘管開關(guān)系統(tǒng)框圖如圖1所示，①表示由晶閘管、阻容吸收網(wǎng)絡(luò)、分壓器、溫度傳感器PT100以及脈沖整形電路所構(gòu)成的功率開關(guān)；②表示晶閘管驅(qū)動電路；③表示狀態(tài)監(jiān)測電路，由開關(guān)狀態(tài)監(jiān)測、開關(guān)溫度監(jiān)測、控制器溫濕度監(jiān)測、脈沖狀態(tài)監(jiān)測等電路構(gòu)成；④表示控制電路；⑤表示包含狀態(tài)監(jiān)測電路、驅(qū)動電路、控制電路的控制器；⑥表示遠(yuǎn)程監(jiān)控單元；本文只討論狀態(tài)監(jiān)測部分。

圖1 晶閘管開關(guān)系統(tǒng)框圖

工作時(shí)，PT100獲得開關(guān)溫度傳給開關(guān)溫度監(jiān)測電路，分壓器采樣電阻獲得晶閘管陽陰極兩端電壓傳給開關(guān)狀態(tài)監(jiān)測電路，控制電路根據(jù)遠(yuǎn)程單元指令和開關(guān)導(dǎo)通關(guān)斷狀態(tài)決定是否讓驅(qū)動板產(chǎn)生驅(qū)動信號、并根據(jù)溫度值決定驅(qū)動信號的功率大小。觸發(fā)脈沖產(chǎn)生后，脈沖狀態(tài)監(jiān)測電路實(shí)時(shí)監(jiān)控本次觸發(fā)是否正常并執(zhí)行故障報(bào)警處理。濕度傳感器獲取控制器的工作環(huán)境濕度，確保控制器內(nèi)良好的絕緣性能。另外，四個(gè)狀態(tài)監(jiān)測電路均能將其監(jiān)控的狀態(tài)通過控制電路上傳給遠(yuǎn)程單元，進(jìn)行故障報(bào)警提醒管理人員進(jìn)行故障處理。

3 溫度監(jiān)測設(shè)計(jì)

3.1 溫度傳感器PT100

鉑熱電阻是溫度傳感器中最受關(guān)注的一種，它具有溫度系數(shù)大，感應(yīng)靈敏，準(zhǔn)確度高；元件尺寸小，使用方便簡單；電阻值隨溫度變化而變化，并且基本呈線性關(guān)系；在－200℃～850℃測溫范圍內(nèi)，物理、化學(xué)性能穩(wěn)定，長期復(fù)現(xiàn)性好，測量精度高，線性度好，長期穩(wěn)定性高，因此選擇鉑熱電阻傳感器，如圖2所示為工業(yè)中常用的三線制Pt100。

圖2 三線制Pt100實(shí)物圖

圖3 電壓監(jiān)測芯片應(yīng)用電路

3.2 電壓監(jiān)測芯片

MAX8211／8212是一款高性能電壓監(jiān)測芯片，芯片內(nèi)部包含一個(gè)比較器和1.15V穩(wěn)定參考電壓。其原理圖及典型應(yīng)用電路如圖3所示。其中8211用于欠壓監(jiān)測，當(dāng)THRESH管腳電壓低于參考電壓1.15V時(shí)，OUT管腳輸出低電平信號；8212用于過壓監(jiān)測，當(dāng)THRESH管腳電壓高于參考電壓1.15V時(shí)，OUT管腳輸出低電平信號。

作欠壓監(jiān)測時(shí)，設(shè)定檢測電壓的欠壓報(bào)警值為VUQ，VUQ為OUT管腳輸出的上跳點(diǎn)；解除欠壓報(bào)警值為，VLQ為OUT管腳輸出的下跳點(diǎn)，同時(shí)要求VLQ＜VUQ＜VIN；作過壓監(jiān)測時(shí)，設(shè)定檢測電壓的過壓報(bào)警值為VUG，此時(shí)VUG為OUT管腳輸出的上跳點(diǎn)；解除過壓報(bào)警值為VLG，VLG為OUT管腳輸出的下跳點(diǎn)，同時(shí)要求VUG＞VLG＞VIN。

參數(shù)選取計(jì)算步驟如下：

第1步：選定R1值，其典型阻值在10kΩ～10MΩ之間；

第2步：計(jì)算R2的阻值

第3步：計(jì)算R3的阻值

或者，當(dāng)V＋＝VIN時(shí)

3.3 溫度監(jiān)測電路設(shè)計(jì)

3.3.1 XTR105檢測電路原理圖

利用XTR105芯片將三線制PT100電阻信號轉(zhuǎn)換為4mA～20mA電流信號的電路原理圖如圖4所示。

圖4 溫度監(jiān)測電路原理圖

在圖4所示的檢測電路中：

Rz為RTD最低溫度時(shí)的電阻值；

式中：R1為 RTD在溫度為（Tmin＋Tmax）／2時(shí)的阻值；R2為RTD在溫度為Tmax時(shí)的阻值，RLin1＝1kΩ為內(nèi)部電阻。

依據(jù)DIN IEC 751標(biāo)準(zhǔn)，PT100在不同溫度下的標(biāo)準(zhǔn)阻值為：

當(dāng)溫度范圍為－200℃～0℃時(shí)：

當(dāng)溫度范圍為0℃～＋850℃時(shí)：

式中：R（T）為PT100在溫度為T（℃）時(shí)的電阻值。

在圖4所示的檢測電路中，芯片XTR105將RTD在溫度Tmin～Tmax間的電阻值線性變換為4mA～20mA的電流信號；當(dāng)線纜LIN1開路時(shí)，Io＝2.2mA；當(dāng)線纜LIN2開路時(shí)，Io＝27mA；當(dāng)線纜LIN3開路時(shí)，Io＝2.2mA。

3.3.2 檢測及報(bào)警電路參數(shù)計(jì)算

設(shè)定檢測電路的溫度測量范圍為－50℃～＋150℃。依據(jù)第3.3.1節(jié)的分析有：

第1步：計(jì)算得到RZ＝80.31Ω；R1＝119.4Ω；R2＝157.32Ω；

第2步：計(jì)算得到RG＝158.77Ω；RLin1＝16.2051kΩ；RLin2＝18.788kΩ；

第3步：依據(jù)標(biāo)準(zhǔn)電阻值表，取RZ＝80.6Ω；RG＝158.77Ω；RLin1＝16.2kΩ；RLin2＝18.7kΩ。

設(shè)計(jì)高溫報(bào)警電路如圖5所示，因?yàn)檩敵龅淖畲箅娏鳛?7mA（LIN2開路），取采樣電阻R6＝110Ω；有效輸出4 mA～20mA時(shí)采樣電壓為0.44V～2.2V，因此每攝氏度對應(yīng)的電壓為（2.2－0.44）／200＝0.0088V，溫度計(jì)算的公式為

設(shè)定過溫報(bào)警上跳點(diǎn)為90℃，溫度超過90℃時(shí)開始報(bào)警，此時(shí)對應(yīng)報(bào)警電壓VU＝1.672V；下跳點(diǎn)為84℃，對應(yīng)電壓VL＝1.6226V，溫度恢復(fù)到84℃便解除警報(bào)。依據(jù)電壓過壓檢測電路的計(jì)算方法取：R9＝9.09kΩ，R10＝20kΩ，R11＝698kΩ。因此，最終設(shè)計(jì)采樣／報(bào)警電路及其參數(shù)如圖5所示。

圖5 過溫報(bào)警電路設(shè)計(jì)

低溫報(bào)警方式與過溫報(bào)警相同，此處不再贅述。現(xiàn)在很多DC／DC電源可以遠(yuǎn)程控制其啟動或者關(guān)閉，根據(jù)過溫、低溫信號選擇相應(yīng)的電源模塊作為觸發(fā)脈沖產(chǎn)生的供電電源，便可以實(shí)現(xiàn)根據(jù)環(huán)境溫度給晶閘管提供相應(yīng)功率的觸發(fā)信號。

4 濕度監(jiān)測

4.1 濕度傳感器及其關(guān)鍵參數(shù)

本文選用的濕度檢測傳感器為HIH系列傳感器，該系列濕度傳感器關(guān)鍵技術(shù)參數(shù)如表1所示。

表1 HIH系列濕度傳感器關(guān)鍵參數(shù)

HIH－40系列濕度傳感器工作過程中，其輸出電壓與檢測濕度的關(guān)系函數(shù)為

檢測濕度關(guān)于溫度的補(bǔ)償函數(shù)為

式中，VSUPPLY為供電電壓；SensorRH傳感器指示相對濕度；TrueRH為對應(yīng)溫度T下的相對濕度。

4.2 濕度檢測電路分析設(shè)計(jì)

4.2.1 影響因素分析

供電電源為＋5V時(shí)，繪制環(huán)境溫度為－40℃、0℃、50℃和100℃時(shí)傳感器輸出電壓與環(huán)境相對濕度RH%間的曲線關(guān)系如圖6所示。

圖6 不同溫度條件下傳感器輸出電壓與相對濕度間曲線關(guān)系

通過圖6可以看出，在環(huán)境濕度的模擬量檢測回路中，以環(huán)境溫度T＝＋25℃為基準(zhǔn)進(jìn)行計(jì)算，由于溫度變化會給相對濕度值帶來一定的影響，測量誤差最大為15%左右。因此計(jì)算控制器中真實(shí)的相對濕度時(shí)，需要將溫度因素考慮進(jìn)來，由于硬件修正比較困難，因此采集到溫度值后進(jìn)行AD轉(zhuǎn)換，在遠(yuǎn)程單元高級應(yīng)用程序中按照式（11）進(jìn)行修正。另外供電電源的波動也會引起濕度傳感器輸出電壓的波動，在監(jiān)測電路中需要考慮這個(gè)因素。

4.2.2 檢測及報(bào)警電路設(shè)計(jì)

使用5V供電電源，當(dāng)供電電壓超過5V時(shí)，濕度傳感器得到的相對濕度值大于實(shí)際值；當(dāng)供電電壓小于5V時(shí)，濕度傳感器得到的相對濕度值小于實(shí)際值。為了安全起見，使用過壓點(diǎn)電壓值5.5V作為供電電壓值，相對濕度達(dá)90%時(shí)進(jìn)行報(bào)警，此時(shí)傳感器輸出電壓值為3.949V。濕度傳感器檢測及報(bào)警電路如圖7所示。

圖7 濕度監(jiān)測及報(bào)警電路

圖7中ADCMP比較芯片內(nèi)部含有穩(wěn)定門檻電壓，具體的電路參數(shù)圖中都已給出。

5 開關(guān)狀態(tài)監(jiān)測

5.1 晶閘管開關(guān)狀態(tài)判斷依據(jù)

普通可控硅具有單向?qū)ǖ奶匦裕覀儫o法從其門－陰極的伏安特性中推斷其開關(guān)狀態(tài)。但根據(jù)其陰陽極之間的電壓可以判斷其開關(guān)狀態(tài)。如圖8所示晶閘管陽陰極電壓電流波形圖中，選擇在電流過零點(diǎn)對晶閘管進(jìn)行觸發(fā)導(dǎo)通，陽陰極之間電壓不大于其通態(tài)峰值電壓UTM，那么可以判斷晶閘管處于導(dǎo)通狀態(tài)。對于圖1中兩個(gè)反并聯(lián)的晶閘管，t1電流過零時(shí)刻不論晶閘管處于何種開關(guān)狀態(tài)，此時(shí)均產(chǎn)生觸發(fā)脈沖將其導(dǎo)通，一旦導(dǎo)通之后晶閘管陽陰極之間電壓UAK≈UTM；導(dǎo)通之后直到下一個(gè)電流過零點(diǎn)t3時(shí)刻之前，觸發(fā)脈沖均可以拆除，每個(gè)電流周期一次循環(huán)。

圖8 晶閘管陽陰極之間電壓電流曲線關(guān)系

5.2 晶閘管開關(guān)狀態(tài)監(jiān)測設(shè)計(jì)

圖9 開關(guān)狀態(tài)監(jiān)測電路設(shè)計(jì)

圖10 觸發(fā)脈沖產(chǎn)生拆除時(shí)序圖

6 結(jié)語

本文對晶閘管開關(guān)及其驅(qū)動電路工作環(huán)境溫度、濕度、觸發(fā)脈沖及晶閘管開關(guān)狀態(tài)進(jìn)行了狀態(tài)監(jiān)測設(shè)計(jì)，給出了詳細(xì)的電路設(shè)計(jì)原理圖及參數(shù)。實(shí)際應(yīng)用表明，設(shè)計(jì)大大提高了晶閘管驅(qū)動電路的工作效率和穩(wěn)定性以及可靠性。由于監(jiān)測的狀態(tài)量具有普遍性，所有這些設(shè)計(jì)的監(jiān)測電路可以廣泛的應(yīng)用于其他工業(yè)生產(chǎn)領(lǐng)域。

［1］王兆安，劉進(jìn)軍.電力電子技術(shù)［M］.第五版.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2010：19－20.

［2］王兆安，張明勛.電力電子設(shè)備設(shè)計(jì)和應(yīng)用手冊［M］.第三版.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2009：111，119－121.

［3］陳堅(jiān).電力電子學(xué)－電力電子變換和控制技術(shù)［M］.第二版.北京：高等教育出版社，2004：34－42.

［4］華偉，周文定.現(xiàn)代電力電子器件及其應(yīng)用［M］.北京：清華大學(xué)出版社，2002：61－63.

［5］錢照明，汪橲生，徐德鴻，等.中國電氣工程大典［M］.北京：中國電力出版社，2009：53－54.

［6］王瑞華.脈沖變壓器設(shè)計(jì)［M］.第二版.北京：科學(xué)技術(shù)出版社，1996：114－120.

［7］王全保.新編電子變壓器手冊［M］.沈陽：遼寧科學(xué)技術(shù)出版社，2007：361－362.

［8］譚平安，張波，丘東元.負(fù)微分電導(dǎo)下晶閘管的動力學(xué)行為與混沌現(xiàn)象［J］.物理學(xué)報(bào)，2010，59（6）：3747－3755.

［9］高強(qiáng)，胡安，何娜，等.大電容脈沖功率場合間歇式脈沖整流器晶閘管觸發(fā)設(shè)計(jì)［J］.IEEE等離子體科學(xué)，2013，41：1332－1339.

［10］謝路耀，金新民，童亦斌，等.IGCT的狀態(tài)檢測與邏輯控制［J］.電工技術(shù)學(xué)報(bào)，2012，27（8）：261－269.