word 格式文档 基于 MATLAB 的晶闸管触发电路 一、触发电路 晶闸管相控电路,习惯称为触发电路,即通过控制触发角 a 的大 小(控制触发脉冲起始相位)来控制输出电压的大小。在晶闸管装置 中,触发电路的基本作用是在确定的时刻向对应的晶闸管提供控制极 电流使其导通。 触发信号可以是交流,直流或脉冲,但触发信号只能在它使控制 极为正,阴极为负时起作用。由于晶闸管在触发导通后控制极就失去 控制作用,为减少控制极损耗,一般采用脉冲形式 二、相控整流电路的触发装置 在各种相控变流电路中,晶闸管触发脉冲的前沿对应的控制角是 以晶闸管的自然换相点为计量起点的角度。自然换相点则决定于加在 晶闸管两端的交流电源电压。因此,为保证正确的相位关系,实现同 步触发控制,在触发电路中必须引入与电网电压严格同步的基准信号, 成为同步信号。主电路电源电压经同步变压器降压,再经阻容移相, 便可获得符合要求的同步信号。 为了保证整流电路按正常规律工作,相控触发电路必须满足以下 要求: 1、触发信号要有足够的功率 为使晶闸管可靠触发,触发电路提供的触发电压和触发电流必须 大于晶闸管产品参数提供的门极触发电压与触发电流值,即必须保证 具有足够的触发功率,同时要求脉冲功率不超过允许瞬时最大功率限 专业整理 word 格式文档 制线和平均功率限制线,以防止因门极过热而造成元件损坏。 2、触发脉冲必须与主回路电源电压保持同步 为了保证电路的品质及可靠性,要求晶闸管在每个周期都在相同 的相位上触发。因此,晶闸管的触发电压必须与其主回路的电源电压 保持某种固定的相位关系,即实现同步。实现同步的方法通常是选择 触发电路的同步电压,使其与晶闸管主电路电压之间满足一定的相位 关系。 3、触发脉冲要有一定的宽度,前沿要陡 为使被触发的晶闸管能保持住导通状态,晶闸管的阳极电流在触 发脉冲消失前必须达到擎住电流,因此,要求触发脉冲应具有一定的 宽度,不能过窄。特别是当负载为电感性负载时,因其中电流不能突 变,更需要较宽的触发脉冲,才可使元件可靠导通。 桥式全控整流电路采用单脉冲触发时,脉宽应为 60°—120°, 而采用双脉冲时,脉宽取 10°即可,最后可通过实验决定。对较宽 的脉冲信号,也可采用脉冲序列的形式代替。 4、触发电路的触发信号必须在晶闸管的门极伏安特性的可靠触发区, 以保证变流装置的主电路元件的互换性,且触发脉冲应保证变流电路 的对称性。相控触发电路应采取电磁兼容的技术措施,防止因各方面 的电磁干扰而出现失控。 5、触发脉冲的移相范围应能满足主电路的要求 触发脉冲的移相范围与主电路的型式、负载性质及变流装置的用 途有关。 专业整理 word 格式文档 常用的触发脉冲信号如图 1: 图 1 几种常见的触发脉冲信号电压波形 (a)为正弦波触发脉冲信号。前沿不陡,触发准确性差,仅用 在触发要求不高的场合; (b)尖脉冲。生成较容易,电路简单,也用于触发要求不高的 场合; (c)矩形脉冲。 (d)强触发脉冲。前沿陡,宽度可变,有强触发功能,适用于 大功率场合; (e)双窄脉冲。有强触发功能,变压器耦合效率高,用于控制 精度较高,感性负载的装置; (f)脉冲序列。具有双窄脉冲的有点,应用广泛。 除以上要求外,还要求触发电路具有动态响应快,抗干扰能力强, 温度稳定性好等性能。 三、脉冲电路与晶闸管的连接方式 1、直接连接:操作不安全,主电路干扰触发电路,主要用于实验。 2、光耦合器连接:输入和输出之间电隔离,绝缘性能好,抗干扰能 力强。 专业整理 word 格式文档 3、脉冲变压器耦合器连接:有良好的电气绝缘。 直接连接 光耦合器连接 脉冲变压器耦合器连接 图 2 脉冲电路与晶闸管的连接方式 四、单相可控整流电路的触发电路 1.为满足相控整流电路触发脉冲的基本要求和单相可控整流电路 自身的特点,设计了单相触发电路,如图 3: 图 3 单相触发电路 专业整理 word 格式文档 2.原理: 在单相触发电路中,输入 1 为控制角的给定值,输入 2 为电源电 压的同步信号输入端。由于整流电路中同一桥臂上下两个晶闸管元件 的控制脉冲互差 180°,因而只需将其对应的上桥臂的同步电压信号 反向作为下桥臂的同步信号。输入信号乘以“-1”后即可作为互差 180°的下桥臂的同步信号。模块 Mux 的作用是将两路信号合并为一 个信号列,而每个信号都具有相对独立性。 对于每一个信号,当其由负过零变正时,模块 Hit Crossing 便 会产生一个正向脉冲,即电网电压的同步脉冲。此脉冲一方面作用于 积分器的同步输入端,产生积分同步信号,使其开始积分。另一方面, 它将转化成布尔类型的量后作用于 RS 触发器的复位端 R。假如其置 位端 S=Q 使其输出 Q=0,该信号经过“非”运算后传递到积分器 1 为 输出脉冲做准备。由于积分器的积分斜率为电源的频率,在每个周期 内,其积分值为 Freq*T=1,而每个周期对应 360°电角度,每一度对 应积分值为 1/360。因而当要求在 a 度触发晶闸管时,只需要等到 a 个 1/360 时输出触发脉冲即可。模块 Relational Operator1 将给定 的触发角转变为积分值与模块 Integrator 输出相比较,来产生触发 晶闸管的时刻。当达到 a 角度时,模块 Relational Operator1 输出 “1”,转化为布尔类型的量后作用于 Logical Operator 模块,由于 其另一个输入端同步信号到来时便已经为“1”,所以此时该模块输出 由“0”变为“1”,产生一个上升沿,使积分器 Integrator1 开始积 分,其输出信号与给定脉冲宽度相比较后,产生晶闸管的触发脉冲。 专业整理 word 格式文档 由于模块 Integrator1 的积分斜率也为电源频率,与上述原理相似, 若要控制输出脉冲的宽度,只需令模块 Integrator1 的输出小于某值 时有脉冲即可。 输入 3 的作用是用于控制脉冲的输出。当其输入为非零时,脉冲 被封锁。反之,则允许触发脉冲输出。另一方面,模块 Logical Operator1 的输出经模块 Memory 送入 RS 触发器。当其为高电平时, 其 Q 输出端输出“1”,为下次触发脉冲做准备。Memory 的作用就是 为了防止当同步脉冲与触发脉冲同时到来时,将触发信号向后稍微延 迟极小的一段时间,避开同步脉冲,这样既为 Integrator1 产生积分 同步信号,又能为下次以做准备。 由于输出信号为布尔型变量,不能直接驱动晶闸管,故应将其转 化为双精度变量。这样就是单相可控整流电路所需的脉冲触发电路。 3.触发脉冲调节电角度和调节脉宽时输出波形的仿真结果: (1)调节电角度时的脉冲信号波形(脉宽为 20): 专业整理 a=30°时: word 格式文档 a=60°: 图 5 a=30°脉宽为 20 图 6 a=60°脉宽为 20 专业整理 a=90°: word 格式文档 图 7 a=90°脉宽为 20 (2)调节脉宽(a=90°): 脉宽为 20: 图 8 脉宽为 20 a=90° 专业整理 脉宽为 50: word 格式文档 脉宽为 100: 图 9 脉宽为 50 a=90 图 10 脉宽为 100 a=90 专业整理 word 格式文档 五、总结 本文主要是基于 MATLAB/Simulink 设计了一个单相脉冲触发装置, 通过触发角、脉宽来调节触发触发脉冲。该触发装置仿真得到的脉冲 输出波形与实际理论分析的结果相同,而且在单相桥式整流电路中得 到了验证。 专业整理