一種H型橋式大功率晶閘管觸發電路設計

余先濤，郭炎彬

(武漢理工大學 機電工程學院，湖北 武漢 430070)

晶閘管被廣泛應用于大功率開關控制電路，對于晶閘管本身，又需要通過其它電路來進行觸發控制。對于需要強觸發脈沖的大功率晶閘管交流裝置，傳統的觸發電路一般為一些晶體管或集成的小功率開關組成的電子觸發電路[1]，這種電路驅動的晶閘管功率小，驅動電路容易受功率主回路的電流干擾造成觸發電路工作異常。

韶山系列電力機車整流柜中大量采用諸如KP1800-30類型的大功率晶閘管，這類晶閘管的觸發電路前端采用的是脈沖變壓器模塊，如株洲電力機車研究所研制的GZ7-41-000脈沖輸出盒，采用脈沖輸出盒可以有效地隔離晶閘管觸發電路與晶閘管主電路的電氣聯系，具有很好的抗干擾性能，同時可以為大功率晶閘管提供足夠幅度的觸發脈沖[2]。

針對GZ7-41-000脈沖輸出盒的輸入觸發脈沖的要求，設計單個脈沖輸出盒的觸發電路，并在此基礎上設計三相全控整流電路的晶閘管可控觸發電路。由于單片機微處理器在定時和計數方面的卓越性能，并且有足夠的輸出可以滿足三相全控整流電路六路晶閘管驅動的需要[3-4]，在由單個H橋脈沖輸出盒觸發電路基礎上，由一片單片機構成六路H橋觸發電路的控制，配合針對三相交流電的過零觸發，實現對三相全控整流輸出的PID調節。

1 H型橋式觸發電路設計

1.1 三相全控整流中的晶閘管觸發

單片機控制的三相全控整流電路一般由晶閘管觸發電路、三相交流過零檢測[5]和移相觸發脈沖輸出等部分組成。其中大功率晶閘管觸發電路采用H型橋式觸發電路。單片機采用Mega 2560型單片機，該單片機的特點是接口豐富，具有模擬量輸入和輸出接口，方便對整流橋輸出的電壓或電流進行檢測以及對三相交流的過零點進行檢測；具有開關量輸入接口，可以用于輸入操作命令；具有開關量輸出接口，可以輸出用于驅動H型橋式驅動電路的觸發脈沖。此外，該單片機還具有編程方便簡單的特點，使用類似于C語言的編程[6]，具有豐富的庫函數，方便進行PID運算及I/O口和模擬檢測與輸出控制[7]，系統總體結構如圖1所示。

圖1 系統的總體結構框圖

系統中由于是針對三相全控晶閘管的驅動，設計的H型橋式驅動電路需要6個通道實現對全部6個晶閘管的驅動控制。

晶閘管的觸發是由GZ7型脈沖輸出盒對單片機輸出隔離和放大后加載晶閘管的控制極。

1.2 GZ7-41型脈沖輸出盒的驅動要求

在韶山系列的電力機車中使用到各種大功率的晶閘管，其中有KP1800-30這樣的1 800 A大電流的晶閘管，這種晶閘管的驅動采用GZ7-41-000的脈沖輸出盒，這種脈沖輸出盒的驅動類似于脈沖變壓器，在其驅動的輸入(相對于脈沖變壓器的原邊)為10 kHz的交流脈沖信號，該交流脈沖信號的幅值為24 V，本設計主要是針對這種型號的晶閘管的觸發驅動，為了滿足GZ7型脈沖輸出盒的輸入要求，設計的驅動電路輸出的脈沖信號的頻率為10 kHz、幅值為24 V。

1.3 基于IR2104的H型橋式交流驅動電路

根據GZ7型脈沖輸出盒的輸入脈沖要求，采用一種單片機控制的H型橋式電路產生脈沖輸出盒要求的10 kHz交流24 V原邊脈沖是可行的設計方案，H型橋式電路采用了4個NMOSFET IRF540N管作為電子開關橋臂，MOS管可以輸出大電流的脈沖信號，如圖2所示。工作時T1、T4同時導通時，T2、T3同時截止；或者反之，這樣在GZ7脈沖盒中形成交變的24 V電壓，由單片機控制交變輸出的頻率，即可滿足GZ7脈沖輸出盒的脈沖變壓器輸入要求，并在其副邊形成驅動晶閘管導通的脈沖。

圖2 NMOSFET構成的H型橋式GZ7原邊驅動

對于H型橋式電路中的IRF540N的驅動，根據H橋4個開關器件的工作特點，這里選用IOR公司生產的半橋驅動芯片IR2104。IR2104是高壓、高速功率型場效應管和絕緣柵雙極型晶體管的驅動芯片，這里用來驅動場效應管IRF540N。該芯片采用集成的電平轉換技術，提高了驅動電路的可靠性和靈活性，并具有硬件死區，防止同臂同時導通等功能，特別是上管采用外部自舉電容上電，使得驅動電源數目較其它IC大大減少[8]。

圖3為由2片半橋驅動IR2104組成的一個全橋H型GZ7原邊驅動電路。在圖3中，由Q11、Q12、Q13和Q14組成H型全橋電路，GZ7的原邊接P1-1A和P1-1B之間。IR2104是一個高壓驅動芯片[9],VB、VS為上管供電，HO為上管驅動輸出；COM為下管驅動供電，LO為下管驅動輸出；IN為信號的輸入端。此半橋電路的上下橋臂是交替導通的,每當下橋臂開通,上橋臂關斷時VS腳的電位為下橋臂功率管Q12的飽和導通壓降,基本上接近地電位,此時VCC通過自舉二極管D11對自舉電容C11充電使其接近VCC電壓。當Q12關斷時VS端的電壓就會升高,由于電容兩端的電壓不能突變,因此，VB端的電平接近于VS和VCC端電壓之和,而VB和VS之間的電壓還是接近VCC電壓。當Q12開通時,C11作為一個浮動的電壓源驅動Q12；而C11在Q12開通其間損失的電荷在下一個周期又會得到補充,這種自舉供電方式就是利用VS端的電平在高低電平之間不停地擺動來實現的。當使能芯片后，在輸入端輸入高電平，則在HO輸出高電平，LO輸出低電平。在輸入端輸入低電平時，HO和LO的輸出則相反。電路中采用一片74LS01作為全橋的兩個IR2104的控制脈沖反向，使兩個半橋實現對稱輸出，以便在GZ7的原邊形成24 V的交變輸出。74LS01由單片機的開關量輸出控制，兩路開關量，其中P1.4由于產生IR2104的封鎖控制，P1.0用于產生10 kHz的脈沖信號[10]。

圖3 H型全橋IR2104驅動電路

2 系統軟件的設計

軟件設計包含系統的初始化、控制角的計算與輸入、同步信號的輸入與檢測、脈沖的輸出、系統的復位。

系統的初始化主要是單片機端口初始化，包括輸入/輸出口、AD/DA口的定義、同步信號的輸入與檢測及三相過零信號的檢測，通過直流輸出電壓的檢測，再通過PID計算后形成每個晶閘管觸發的導通角(控制角)，最后輸出控制每路晶閘管的IN信號和SD信號。

筆者設計的三相全控整流觸發電路具有兩個輸出控制，即三相全控可控輸出和六路晶閘管同時觸發輸出，由于在對SS系列電力機車整流柜進行均壓和均流試驗時，需要整流柜中的所有晶閘管的0°控制角打開，不需要對其三相交流輸入進行過零檢測和控制角計算，因此，在控制板選擇整流柜試驗時，上電即同時輸出六路晶閘管的觸發脈沖信號。軟件控制流程如圖4所示。

圖4 程序流程圖

根據所設計的電路圖，對電路進行了測試，得到了如圖5所示的結果，與預期的10 kHz的24 V信號是一致的，該信號可以很好地去觸發晶閘管電路。

圖5 觸發信號

3 結論

筆者設計的H型橋式大功率晶閘管觸發驅動電路，成功地應用于襄陽機務段SS6B電力機車整流柜檢修的均壓均流試驗臺中，取代了原試驗臺采用機車觸發板的設計，大大簡化了試驗臺中晶閘管觸發的設計，避免了原觸發板故障率高的問題，使電力機車主整流柜的檢修試驗的設備成本低，穩定性好，抗干擾能力強，檢修方便。

此外，該電路還可以廣泛地應用于大電流晶閘管應用的各種電路的觸發控制中。