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V2开关的频率就是锯齿波的频率,由同步变压器所接的交流电压决定。
V2由导通变截止期间产生锯齿波,锯齿波起点基本就是同步电压由正变负的过零点。
图2同步信号为锯齿波的触发电路
工作过程如下:
(1)同步电压uTS经二极管VD1加在V2的基极上。
当电压波形在负半周的下降段时,因Q点为零电位,R点为负电位,VD1导通,电容C1被迅速反向充电。
Q点电位与R点相近,故在这一阶段V2基极为反向偏置,V2截止。
(2)在负半周的上升段,+15V电源通过R1给电容C1正向充电,其上升速度比uTS波形慢,故VD1截止,uQ为电容反向充电波形。
当Q点电位达1.4V时,V2导通,Q点电位被钳位在1.4V。
直到TS二次电压的下一个负半周到来,VD1重新导通,C1放电后又被反向充电,V2截止。
(3)如此循环往复,在一个正弦波周期内,包括截止与导通两个状态,对应锯齿波波形恰好是一个周期,与主电路电源频率和相位完全同步,达到同步的目的。
可以看出锯齿波的宽度是由充电时间常数R1C1决定的。
2、锯齿波的形成和脉冲移相环节
锯齿波电压形成电路由V1、V2、V3和C2等元件组成,其中V1、VS、RP2和R3为一恒流源电路。
(1)当V2截止时,恒流源电流I1C对电容C2充电,所以C2两端的电压uC为;
uC按线性增长,即ub3按线性增长。
调节电位器RP2,可以改变C2的恒定充电电流I1C。
(2)当V2导通时,因R4很小所以C2迅速放电,使得ub3电位迅速降到零伏附近。
当V2周期性关断和导通时,ub3便形成一锯齿波。
射极跟随器V3的作用是减小控制回路电流对锯齿波电压ub3的影响。
图3全控整流桥触发电路各点波形图
(3)V4基极电位是锯齿波电压、控制电压uco、直流偏移电压up三者叠加,它们分别通过电阻R6、R7、R8与V4基极连接。
根据叠加原理,先设uh为锯齿波电压ue3单独作用在基极时的电压,其值为:
所以uh仍为锯齿波,但斜率比ue3低。
同理,直流偏移电压up单独作用在V4基极时的电压
为:
所以,
仍为一条与up平行的直线,但绝对值比up小;
控制电压uco单独作用在V4基极时的电压
仍为一条与uco平行的直线,但绝对值比uco小。
当V4不导通时,V4的基极b4的波形由
确定。
当b4点电压等于0.7V后,V4导通。
产生触发脉冲。
改变uco便可以改变脉冲产生时刻,脉冲被移相。
加up的目的是为了确定控制电压uco=0时脉冲的初始相位。
以三相全控桥为例,当接反电势电感负载时,脉冲初始相位应定在α=90;
当uco=0时,调节up的大小使产生脉冲的M点对应α=90的位置。
当uco为0,α=90,则输出电压为0;
如uco为正值,M点就向前移,控制角α<
90,处于整流工作状态;
如uco为负值,M点就向后移,控制角α>
90,处于逆变状态。
3、脉冲的形成与放大
V4、V5构成脉冲形成电路;
V7、V8构成脉冲放大电路。
控制电压uco加在V4基极上。
脉冲前沿由V4导通时刻确定,脉冲宽度与反向充电回路时间常数R11C3有关。
电路的触发脉冲由脉冲变压器TP二次侧输出,其一次绕组接在V8集电极电路中。
(1)当V4的基极电压uco=0时,V4截止。
+15V电源通过R11、R10提供给V5、V6一个足够大的基极电流,使V5饱、V6和导通。
所以V5集电极电压接近于-15V,V7、V8处于截止状态,无脉冲输出。
电源+15V经R9、V5的发射极和V6到-15V对电容C3充电,充满后电容两端电压接近30V。
(2)当uco≥0.7V时,V4导通。
A点电位从+15V突降到1V,由于电容C3两端电压不能突变,所以V5基极电位也突降到-30V,V5基射极反偏置,V5立即截止。
它的集电极电压由-15V迅速上升到钳位电压2.1V时,使得V7、V8导通,输出触发脉冲。
V6工作过程与V5类似,另一模块提供的Y端驱动信号与本级的X端输出信号相同。
无动作时接近+15V给另一个C3充电约为30V;
动作时约为1V,使V6基极突降至-30V,V6截止使得V7、V8导通,输出另一个触发脉冲。
(3)同时电容C3由+E1经R11、VD4、V4放电并反向充电,使V5基极电位逐渐上升。
直到V5基极电位ub5>
-15V,V5又重新导通。
这时V5集电极电压又立即降到-15V,使V7、V8截止,输出脉冲终止。
可见,脉冲前沿由V4导通时刻确定,脉冲宽度由反向充电时间常数R11C3决定。
4、双窄脉冲形成环节
V5、V6构成负逻辑“或”门,当V5、V6都导通时,V7、V8都截止,没有脉冲输出。
只要V5、V6有一个截止,都会使V7、V8导通,有脉冲输出。
第一个脉冲由本相触发单元的uco对应的控制角产生。
隔60的第二个脉冲是由滞后60相位的后一相触发单元产生(通过V6)。
触发电路自身在一个周期内可输出两个间隔60的脉冲,属内双脉冲电路。
其中VD4和R17的作用主要是防止双脉冲信号相互干扰。
因此本电路可以产生符合要求的双脉冲。
在三相桥式全控整流电路中,双脉冲环节的可按图4接线。
六个触发器的连接顺序是:
1Y-2X、2Y-3X、3Y-4X、4Y-5X、5Y-6X、6Y-1X。
图4双脉冲环节触发单元接线图
5、强触发环节
36V交流电压经整流、滤波后得到50V直流电压,经R15对C6充电,B点电位为50V。
当V8导通时,C6经脉冲变压器一次侧R16、V8迅速放电,形成脉冲尖峰,由于有R15的电阻,且电容C6的存储能量有限,B点电位迅速下降。
当B点电位下降到14.3V时,VD15导通,B点电位被15V电源钳位在14.3V,形成脉冲平台。
C5组成加速电路,用来提高触发脉冲前沿陡度。
6、脉冲封锁
二极管VD5阴极接零电位或负电位,使V7、V8截止,可以实现脉冲封锁。
2.9.3触发电路的定相
触发电路的定相——触发电路应保证每个晶闸管触发脉冲与施加于晶闸管的交流电压保持固定、正确的相位关系。
三相全控桥中同步电压与主电路电压关系示意图如图10所示。
措施:
1、同步变压器原边接入为主电路供电的电网,保证频率一致。
2、触发电路定相的关键是确定同步信号与晶闸管阳极电压的关系。
图10三相全控桥中同步电压与主电路电压关系示意图
变压器接法:
主电路整流变压器为D,y-11联结,同步变压器为D,y-11,5联结,其接法及矢量图如图10所示。
图10同步变压器和整流变压器的接法及矢量图
4、基于TC787芯片的三相相控触发电路如图5所示。
图5基于TC787芯片的三相相控触发电路
5、三相触发信号驱动电路如图6所示
图6三相触发信号驱动电路
附录2TC787芯片资料
TC787和TC788是采用独有的先进IC工艺技术,并参照国外最新集成移相触发集成电路而设计的单片集成电路。
它可单电源工作,亦可双电源工作,主要适用于三相晶闸管移相触发和三相功率晶体管脉宽调制电路,以构成多种交流调速和变流装置。
它们是目前国内市场上广泛流行的TCA785及KJ(或KC)系列移相触发集成电路的换代产品,与TCA785及KJ(或KC)系列集成电路相比,具有功耗小、功能强、输入阻抗高、抗干扰性能好、移相范围宽、外接元件少等优点,而且装调简便、使用可靠,只需一个这样的集成电路,就可完成3只TCA785与1只KJ041、1只KJ042或5只KJ(3只KJ004、1只KJ041、1只KJ042)(或KC)系列器件组合才能具有的三相移相功能。
因此,TC787/TC788可广泛应用于三相半控、三相全控、三相过零等电力电子、机电一体化产品的移相触发系统,从而取代TCA785、KJ004、KJ009、KJ041、KJ042等同类电路,为提高整机寿命、缩小体积、降低成本提供了一种新的、更加有效的途径。
TC787(或TC788)的引脚排列如图1所示。
图1TC787(或TC788)的引脚排列(引脚向下)
各引脚的名称、功能及用法如下:
(1)同步电压输入端:
引脚1(Vc)、引脚2(Vb)及引脚18(Va)为三相同步输入电压连接端。
应用中,分别接经输入滤波后的同步电压,同步电压的峰值应不超过TC787/TC788的工作电源电压VDD。
(2)脉冲输出端:
在半控单脉冲工作模式下,引脚8(C)、引脚10(B)、引脚12(A)分别为与三相同步电压正半周对应的同相触发脉冲输出端,而引脚7(-B)、引脚9(-A)、引脚11(-C)分别为与三相同步电压负半周对应的反相触发脉冲输出端。
当TC787或TC788被设置为全控双窄脉冲工作方式时,引脚8为与三相同步电压中C相正半周及B相负半周对应的两个脉冲输出端;
引脚12为与三相同步电压中A相正半周及C相负半周对应的两个脉冲输出端;
引脚11为与三相同步电压中C相负半周及B相正半周对应的两个脉冲输出端;
引脚9为与三相同步电压中A相同步电压负半周及C相电压正半周对应的两个脉冲输出端;
引脚7为与三相同步电压中B相电压负半周及A相电压正半周对应的两个脉冲输出端;
引脚10为与三相同步电压中B相正半周及A相负半周对应的两个脉冲输出端。
应用中,均接脉冲功率放大环节的输入或脉冲变压器所驱动开关管的控制极。
(3)控制端:
①引脚4(Vr):
移相控制电压输入端。
该端输入电压的高低,直接决定着TC787/TC788输出脉冲的移相范围,应用中接给定环节输出,其电压幅值最大为TC787/TC788的工作电源电压VDD。
②引脚5(Pi):
输出脉冲禁止端。
该端用来进行故障状态下封锁TC787/TC788的输出,高电平有效,应用中,接保护电路的输出。
③引脚6(Pc):
TC787/TC788工作方式设置端。
当该端接高电平时,TC787/TC788输出双脉冲列;
而当该端接低电平时,输出单脉冲列。
④引脚13(Cx):
该端连接的电容Cx的容量决定着TC787或TC788输出脉冲的宽度,电容的容量越大,则脉冲宽度越宽。
⑤引脚14(Cb)、引脚15(Cc)、引脚16(Ca):
对应三相同步电压的锯齿波电容连接端。
该端连接的电容值大小决定了移相锯齿波的斜率和幅值,应用中分别通过一个相同容量的电容接地。
(4)电源端:
TC787/TC788可单电源工作,亦可双电源工作。
单电源工作时引脚3(VSS)接地,而引脚17(VDD)允许施加的电压为8~18V。
双电源工作时,引脚3(VSS)接负电源,其允许施加的电压幅值为-4~-9V,引脚17(VDD)接正电源,允许施加的电压为+4~+9V。
(二)内部结构及工作原理简介
TC787/TC788的内部结构及工作原理框图如图2所示。
图2TC787/TC788的内部结构及工作原理框图
由图可知,在它们内部集成有三个过零和极性检测单元、三个锯齿波形成单元、三个比较器、一个脉冲发生器、一个抗干扰锁定电路、一个脉冲形成电路、一个脉冲分配及驱动电路。
它们的工作原理可简述为:
经滤波后的三相同步电压通过过零和极性检测单元检测出零点和极性后,作为内部三个恒流源的控制信号。
三个恒流源输出的恒值电流给三个等值电容
Ca、Cb、Cc恒流充电,形成良好的等斜率锯齿波。
锯齿波形成单元输出的锯齿波与移相控制电压Vr比较后取得交相点,该交相点经集成电路内部的抗干扰锁定电路锁定,保证交相唯一而稳定,使交相点以后的锯齿波或移相电压的波动不影响输出。
该交相信号与脉冲发生器输出的脉冲(对TC787为调制脉冲,对TC788为方波)信号经脉冲形成电路处理后变为与三相输入同步信号相位对应且与移相电压大小适应的脉冲信号送到脉冲分配及驱动电路。
假设系统未发生过电流、过电压或其它非正常情况,则引脚5禁止端的信号无效,此时脉冲分配电路根据用户在引脚6设定的状态完成双脉冲(引脚6为高电平)或单脉冲(引脚6为低电平)的分配功能,并经输出驱动电路功率放大后输出,一旦系统发生过电流、过电压或其它非正常情况,则引脚5禁止信号有效,脉冲分配和驱动电路内部的逻辑电路动作,封锁脉冲输出,确保集成电路的6个引脚12、11、10、9、8、7输出全为低电平。
(三)基本设计特点
1.主要设计特点
(1)TC787适用于主功率器件是晶闸管的三相全控桥或其他拓扑结构电路的系统中作为晶闸管的移相触发电路。
而TC788适用于以功率晶体管(GTR)或绝缘栅双极晶体管(IGBT)为功率单元的三相全桥或其他拓扑结构电路的系统中作为脉宽调制波产生电路,且任一种芯片均可同时产生六路相序互差60°
的输出脉冲。
(2)TC787/TC788在单、双电源下均可工作,使其适用电源的范围较广泛,它们输出三相触发脉冲的触发控制角可在0~180°
范围内连续同步改变。
它们对零点的识别非常可靠,使它们可方便地用作过零开关,同时器件内部设计有移相控制电压与同步锯齿波电压交点(交相)的锁定电路,抗干扰能力极强。
电路自身具有输出禁止端,使用户可在过电流、过电压时进行保护,保证系统安全。
(3)TC787/TC788分别具有A型和B型器件,使用户可方便地根据自己应用系统所需要的工作频率来选择(工频时选A型器件,中频100~400Hz时选B型器件)。
同时,TC787输出为脉冲列,适用于触发晶闸管及感性负载;
TC788输出为方波,适用于驱动晶体管。
因两种集成电路引脚完全相同,故增加了用户控制用印制电路板的通用性,使同一印制电路板只需要互换集成电路便可用于控制晶闸管或晶体管。
(4)TC787/TC788可方便地通过改变引脚6的电平高低,来设置其输出为双脉冲列还是单脉冲列。
2.主要电参数和限制
(1)工作电源电压VDD:
8~18V或±
5V~±
9V;
(2)输入同步电压有效值:
≤(1/2√2)VDD;
(3)输入控制信号电压范围:
0~VDD;
(4)输出脉冲电流最大值:
20mA;
(5)锯齿波电容取值范围:
0.1~0.15;
(6)脉宽电容取值范围:
3300pF~0.01μF;
(7)移相范围:
0~177°
;
(8)工作温度范围:
0~+55℃。
(四)TC787/TC788应用举例
TC787/TC788独特而巧妙的设计,使它们可方便地用于主功率器件为普通晶闸管、双向晶闸管、栅极可关断晶闸管、非对称晶闸管的电力电子设备中作移相触发脉冲形成电路。
而TC788可用于主功率器件为功率晶体管、功率场效应晶体管、功率IGBT或功率MCT的电力电子设备中。
限于篇幅,本节仅以TC787为例说明其应用。
1.单电源工作的典型接线
图3给出了TC787单电源工作时的典型接线图,是需同步电平移位网络的单电源使用方法,图中RP1~RP3:
10k1/4W,R:
20k1/4W,R2:
15k1/4W,R3:
200k。
C1、C2、C3:
10μF/25V,C4、C5、C6:
1μF。
图中RP1~RP3:
这种使用方法需要加较多辅助元件,图中电容C1~C3为隔直耦合电容,而C4~C6为滤波电容,它与R1~R3构成滤去同步电压中毛刺的环节。
另一方面,随RP1~RP3三个电位器的不同调节,可实现0~60°
的移相,从而适应不同主变压器连接的需要。
图3TC787单电源工作时的典型接线图
图4给出了应用电平匹配网络的应用图,图中直接将同步变压器的中点接到(1/2)电源电压上,使所用元件得以简化。
图4简化电平匹配网络的单电源使用法(同步电压有效值(UT≤V+/2√2),图中RP1~RP3:
10k,R1、R2、R3:
200k,C1、C2、C3:
1μF。
图4应用电平匹配网络的应用图
2.双电源工作的典型接线
图5给出了TC787双电源工作时的典型接线图,Lock来自保护电路的输出。
同步电压有效值UT=V+/√2V+=∣V-∣,图中RP:
10kR:
200kC:
图5TC787双电源工作时的典型接线图
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- 三相 电路 驱动