基于單正激驅動變壓器的磁通復位問題的研究

引言

晶閘管觸發(fā)驅動電路的作用是產(chǎn)生符合要求的門極觸發(fā)脈沖，保證晶閘管在需要的時刻由阻斷轉為導通。廣義上講，晶閘管觸發(fā)電路通常包括驅動電路以及對其觸發(fā)時刻進行控制的相位控制電路。本文集中研究觸發(fā)脈沖的放大和輸出驅動環(huán)節(jié)，有關相位控制電路在有關教科書中已有討論?，F(xiàn)今晶閘管主要應用于交流-直流相控整流和交流-交流相控調壓等，適用于這些應用的各種驅動觸發(fā)器都已集成化、系列化。例如目前國內生產(chǎn)的KJ系列和KC系列的晶閘管驅動 (觸發(fā))器，都可供研制選用。

為保證晶閘管可靠觸發(fā)導通，門極的脈沖電流必須有足夠大的幅值和持續(xù)時間，以及盡可能短的電流上升時間。控制電路和主電路之間的隔離，通常既可以通過光耦亦可以采用脈沖變壓器來實現(xiàn)，這兩種方式各有優(yōu)缺點：光電耦合隔離時兩側的電磁干擾小，但光耦器件需要承受主電路高壓，有時還需要在SCR側有一個電源和一個脈沖放大器;采用脈沖變壓器隔離的觸發(fā)脈沖放大和驅動環(huán)節(jié)，優(yōu)點是毋需另加驅動電源，多年來一直獲得廣泛應用。然而，其脈沖變壓器需要采取措施防止磁芯飽和。其電路拓撲結構雖然簡單，但是所涉及的電磁作用原理及磁通復位和參數(shù)設計問題，還是比較復雜的，本文就此類問題以及相關物理過程進行研究分析。

觸發(fā)驅動電路結構和原理

圖1給出了基于脈沖變壓器和三極管放大器的一種常見的晶閘管觸發(fā)驅動電路，該驅動電路由V1、V2構成的脈沖放大環(huán)節(jié)和脈沖變壓器TM及附屬電路構成的脈沖輸出環(huán)節(jié)兩部分組成。當開關管V1、V2導通時，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，經(jīng)VD2和R4(限流)作用于晶閘管的門極和陰極之間，輸出觸發(fā)脈沖，提供觸發(fā)電流。當V2關斷時，由于TM 原邊電流的急劇減小，其di/dt0,由楞次定律決定其原邊產(chǎn)生下正上負的自感反電勢，致使VD1導通，對原邊電流形成續(xù)流通路。同時，在副邊也產(chǎn)生下正上負的電壓，由于VD2反偏，所以此時TM副邊形不成電流通路。VD3的存在，使此時輸出給門極G與陰極K之間的電壓近似為零。VD3還具有防止負脈沖和其它干擾信號影響SCR工作的效果。

圖1 常見的晶閘管觸發(fā)驅動電路

VD1和R3的作用十分重要，若該支路斷開，在V2關斷時會在TM原邊形成很高的自感反電勢，導致V2過壓擊穿。VD1和R3續(xù)流支路，可以使V2在關斷瞬間的集電極電位大為降低，并且R3越小，此電壓越低。

寬脈沖觸發(fā)問題

通常采用脈沖變壓器隔離的觸發(fā)驅動電路，是難以傳遞寬觸發(fā)脈沖的。比如，圖1驅動電路若在其V1管基極作用以如圖2(a)所示的寬脈沖信號uB1,在V2管導通期間，脈沖變壓器原邊電壓u1≈E2,勵磁電流i0將按照式(1) Ldi0/dt=u1 (1)

所決定的電流變化率增加(L為變壓器勵磁電感)，由于V2管持續(xù)導通時間過長，i0會變得很大，從而將導致脈沖變壓器的鐵芯磁通飽和，除非鐵芯體積足夠大。在磁通飽和的情況下，根據(jù)法拉第電磁感應定律u2=N2d/dt,副邊的感應電壓u2將難以達到寬脈沖傳輸?shù)囊?。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，遠遠達不到輸入控制信號uB1脈沖的寬度，如圖2(a)所示。