單端正激式脈沖隔離驅(qū)動(dòng)電路的分析研究

張加勝，張 磊，劉希臣

(中國石油大學(xué)信息與控制工程學(xué)院，山東青島266580)

0 引言

單端正激式脈沖隔離驅(qū)動(dòng)電路，作為各類控制系統(tǒng)與被控對(duì)象之間的功率接口，有著廣泛的應(yīng)用。尤其是在單端正激式開關(guān)電源和晶閘管觸發(fā)驅(qū)動(dòng)應(yīng)用中，通常都要求其脈沖頻率較高。兩者的差別在于，前者變壓器副邊經(jīng)二極管半波整流和濾波環(huán)節(jié)，為直流負(fù)載提供電能，其占空比需要連續(xù)可調(diào)，即采用PWM控制;而后者變壓器副邊經(jīng)二極管半波整流后為晶閘管門極提供脈沖列觸發(fā)，一般占空比固定，但需要根據(jù)晶閘管觸發(fā)及同步要求來控制脈沖列的連續(xù)作用時(shí)間。無論哪方面應(yīng)用，其單端正激式脈沖隔離電路的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和基本作用原理是相同的。本文以單端正激式脈沖隔離驅(qū)動(dòng)電路在晶閘管觸發(fā)驅(qū)動(dòng)方面的應(yīng)用為例，對(duì)有關(guān)高頻脈沖變壓器電磁作用原理及磁通復(fù)位和參數(shù)設(shè)計(jì)等問題進(jìn)行研究分析。

晶閘管觸發(fā)驅(qū)動(dòng)電路通常包括驅(qū)動(dòng)電路以及對(duì)其觸發(fā)時(shí)刻進(jìn)行控制的同步移相控制電路［1，2]。本文集中研究觸發(fā)脈沖的放大和輸出驅(qū)動(dòng)環(huán)節(jié)，有關(guān)相位控制電路在有關(guān)電力電子技術(shù)的教科書中已有討論。故不復(fù)述。

為保證晶閘管可靠觸發(fā)導(dǎo)通，門極的脈沖列電流必須有足夠大的幅值和持續(xù)時(shí)間，以及盡可能短的電流上升時(shí)間?？刂齐娐泛椭麟娐分g的隔離，通常既可以通過光耦也可以采用脈沖變壓器來實(shí)現(xiàn)。這兩種方式各有優(yōu)缺點(diǎn):光耦隔離體積小，但對(duì)光耦器件耐壓要求較高，并且往往還需要在主電路側(cè)配置有高電壓隔離的獨(dú)立直流電源和脈沖放大器;采用脈沖變壓器隔離的優(yōu)點(diǎn)是毋需另加驅(qū)動(dòng)電源，響應(yīng)速度快等。然而，對(duì)脈沖變壓器而言，既要設(shè)法提高脈沖頻率，減小磁芯體積，又要防止磁芯飽和。其單正激電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)雖然簡(jiǎn)單，但是所涉及的電磁作用原理及磁通復(fù)位和參數(shù)設(shè)計(jì)等問題，還是比較復(fù)雜的，在電力電子類有關(guān)教學(xué)當(dāng)中，既是重點(diǎn)又是難點(diǎn)。

1 單端正激式脈沖隔離驅(qū)動(dòng)電路

圖1給出了一種基于脈沖變壓器和三極管放大器的常見的單端正激晶閘管觸發(fā)驅(qū)動(dòng)電路。該驅(qū)動(dòng)電路由V1和V2構(gòu)成的脈沖放大環(huán)節(jié)，脈沖變壓器TM及附屬電路構(gòu)成。該脈沖變壓器由于工作于單端驅(qū)動(dòng)狀態(tài)，一般在磁芯設(shè)計(jì)時(shí)需要加入適當(dāng)?shù)臍庀?，以擴(kuò)大磁化曲線的線性范圍，防止飽和及減少剩磁影響。在以下分析中將忽略這些不理想因素帶來的影響［3]。

圖1 晶閘管觸發(fā)驅(qū)動(dòng)電路

當(dāng)開關(guān)管V1和V2導(dǎo)通時(shí)，電源電壓E2幾乎全部施加在脈沖變壓器的原邊繞組上(R2為限流電阻，一般取值很小)。通過脈沖變壓器磁耦合作用，在副邊產(chǎn)生電壓上正下負(fù)的輸出觸發(fā)脈沖，經(jīng)VD2和限流電阻R4作用于晶閘管的門極G和陰極K之間，提供后級(jí)觸發(fā)電流。當(dāng)V2關(guān)斷時(shí)，由于TM原邊電流的急劇減小，其di/dt＜0，由楞次定律決定其原邊產(chǎn)生下正上負(fù)的自感反電勢(shì)，致使VD1導(dǎo)通，對(duì)原邊電流形成續(xù)流通路。同時(shí)在副邊也產(chǎn)生下正上負(fù)的電壓，由于VD2反偏，所以此時(shí)TM副邊形不成電流通路。VD3的存在使此時(shí)輸出給門極G與陰極K之間的電壓近似為零。VD3還具有防止負(fù)脈沖和其它干擾信號(hào)影響后級(jí)晶閘管工作的效果。

VD1和R3的作用十分重要。若該支路斷開，在V2關(guān)斷時(shí)會(huì)在TM原邊形成很高的自感反電勢(shì)，導(dǎo)致V2過壓擊穿。VD1和R3形成的續(xù)流支路可以使V2在關(guān)斷瞬間的集電極電位大為降低。

2 采用高頻調(diào)制的寬脈沖觸發(fā)

通常采用脈沖變壓器隔離的觸發(fā)驅(qū)動(dòng)電路是難以傳遞寬觸發(fā)脈沖的。比如，圖1驅(qū)動(dòng)電路若在其V1管基極作用以如圖2(a)所示的寬脈沖信號(hào)uB1，在V2管導(dǎo)通期間，脈沖變壓器原邊電壓u1≈E2和勵(lì)磁電流i0滿足L(di0/dt)=u1。這里L(fēng)為脈沖變壓器勵(lì)磁電感。由于V2管持續(xù)導(dǎo)通時(shí)間過長(zhǎng)，i0會(huì)變得很大，從而將導(dǎo)致脈沖變壓器的鐵芯磁通飽和，除非鐵芯體積足夠大［4，5]。磁芯的截面積越小，越容易形成磁通飽和，則副邊所得到的u2電壓脈沖越窄，遠(yuǎn)遠(yuǎn)達(dá)不到輸入控制信號(hào)uB1脈沖的寬度。

為了改變這種情況，使副邊輸出觸發(fā)脈沖的持續(xù)時(shí)間符合輸入控制信號(hào)的要求，實(shí)際中往往采用對(duì)輸入寬脈沖信號(hào)進(jìn)行高頻調(diào)制的脈沖列觸發(fā)方式，如圖2(b)所示。

圖2 兩種晶閘管觸發(fā)驅(qū)動(dòng)控制方式

圖中輸入脈沖控制信號(hào)uB1的持續(xù)作用時(shí)間與圖2(a)中相同，只是按一定占空比經(jīng)過了高頻調(diào)制。在每一個(gè)窄脈沖高電平期間，V2管導(dǎo)通，勵(lì)磁電流的上升率為正，i0近乎直線上升。在V2管關(guān)斷時(shí)，由于原邊反電勢(shì)作用使u1為負(fù)壓，由VD1和R3續(xù)流支路為i0提供通路，i0開始下降，其下降速度決定于負(fù)壓的大小。該負(fù)壓由i0在R3上的壓降提供。在每個(gè)開關(guān)周期中，由于變壓器鐵芯工作于磁化曲線的線性區(qū)，磁通與i0成比例地變化。

3 磁通復(fù)位及波形畸變

若R3取值較大，反電勢(shì)作用產(chǎn)生的u1負(fù)值也較大，可以使i0的下降速度較快。其下降速度應(yīng)保證在下一個(gè)窄脈沖到來之前，i0下降到零，從而使鐵芯磁通減小到零，通常稱作磁通復(fù)位［5]。

圖2(b)所示為V2管關(guān)斷時(shí)的u1負(fù)值與其導(dǎo)通時(shí)的u1正值相等，均等于電源電壓E2時(shí)對(duì)應(yīng)的波形(此時(shí)V2管關(guān)斷時(shí)的集電極電位應(yīng)比電源電壓E2高出一倍)，要求此時(shí)輸入脈沖列的占空比最大不能超過50%。比如，E2為12V，勵(lì)磁電流i0峰值I0p=10mA。若要脈沖列的占空比最大50%保證變壓器能磁通復(fù)位，則要求R3＞E2/I0p=1.2kΩ，實(shí)際取值1.5kΩ。圖中uGK可以理解為u2經(jīng)過整流之后的波形。若R3取值較小，u1負(fù)值較小，對(duì)降低V2管所承受的集電極電壓有利，但會(huì)使i0的下降速度很慢，若脈沖列的占空比較大，在下一個(gè)窄脈沖到來時(shí)，可能i0并不能下降到零，這樣就會(huì)導(dǎo)致鐵芯磁通不能復(fù)位到零。經(jīng)過若干個(gè)窄脈沖作用之后，就會(huì)越積累越大，逐漸飽和，副邊電壓u2及晶閘管觸發(fā)脈沖列的幅度會(huì)逐漸變小，甚至衰減到零，如圖3所示。

可見R3的取值應(yīng)該合理。取值過大對(duì)磁通加快復(fù)位有利，但對(duì)V2管的耐壓要求提高。實(shí)際上VD1和R3就是為了V1和V2管由導(dǎo)通變?yōu)榻刂箷r(shí)脈沖變壓器TM釋放其儲(chǔ)存能量而設(shè)置的。

圖3 磁通不能復(fù)位對(duì)脈沖列觸發(fā)的影響

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

對(duì)圖1所示單端正激電路，電源取12V，脈沖變壓器變比為2:1，脈沖調(diào)制頻率6.4kHz，占空比50%，輸出端接晶閘管的G-K極做驅(qū)動(dòng)負(fù)載。當(dāng)R3分別取3kΩ和20Ω時(shí)，用示波器所測(cè)得的脈沖變壓器原邊電壓和輸出電壓脈沖列波形分別如圖4所示。變壓器原邊電壓如圖上側(cè)所示，輸出電壓下側(cè)所示。

圖4R3取值不同時(shí)脈沖波形

圖4(a)表明在R3取值3kΩ時(shí)，當(dāng)開關(guān)管V2關(guān)斷時(shí)，變壓器原邊形成的反電勢(shì)(負(fù)電壓)高達(dá)38V。經(jīng)R3續(xù)流的勵(lì)磁電流下降率較大，變壓器磁通復(fù)位較快，不存在磁通飽和現(xiàn)象，輸出觸發(fā)脈沖序列正常，此波形對(duì)應(yīng)于圖2(b)中uGK。由于晶閘管G-K極間的電壓箝位作用，其峰值僅約1.5V;而圖4(b)表明在R3取值20Ω時(shí)，當(dāng)開關(guān)管V2關(guān)斷時(shí)，變壓器原邊形成的反電勢(shì)(負(fù)電壓)很低，勵(lì)磁電流下降率也很小，變壓器磁通不能復(fù)位，在每次開始觸發(fā)的前幾個(gè)脈沖列周期，勵(lì)磁電流尚不太大，磁通尚未飽和，輸出脈沖還算正常。隨著磁通逐漸積累飽和，致使輸出脈沖列幅度逐漸衰減，不能正常觸發(fā)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明磁通飽和給變換波形帶來的顯著影響。

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