中心議題：

• 介紹晶閘管直流穩壓器控制電路的工作原理
• 分析晶閘管直流穩壓器電路調試

解決方案：

• 采用晶閘管直流穩壓器，實(shí)現過(guò)流及短路的可靠保護
• 應用電路用來(lái)觸發(fā)三相半控晶閘管橋式整流器

盡管功率場(chǎng)效應VDMOS 和絕緣柵雙極型晶體管IGBT等電力半導體元器件層出不窮,且在電力電子技術(shù)領(lǐng)域占據重要位置,晶閘管(可控硅) 卻因耐高壓耐大電流沖擊的特性,仍有著(zhù)穩固的陣地,受到用戶(hù)的青睞。在擯棄電流采樣、放大和執行等多個(gè)環(huán)節的情況下,將單結晶體管移相觸發(fā)器中的晶體管誤差放大器改為集成運算放大器,就可實(shí)現晶閘管直流穩壓器的過(guò)流及短路保護,簡(jiǎn)化了電路結構,并提高了整機的穩定可靠性能和AC - DC變換效率。

工作原理
誤差放大器采用集成運放的晶閘管直流穩壓器的控制電路如圖1 所示。被控主電路(圖中未畫(huà)) 是三相半控整流橋,再經(jīng)LC 平滑濾波器,輸出+ 12. 8 V 平滑直流電壓。三相半控整流橋中的三個(gè)晶閘管,分別由圖示控制電路中的脈沖變壓器T2a 、T2b和T2c來(lái)觸發(fā)。推動(dòng)這三個(gè)脈沖變壓器的三個(gè)移相觸發(fā)電路是完全相同的,且共用一個(gè)誤差放大器及其電壓采樣電路。為避免重復和繁瑣,圖中僅示出B 相的移相觸發(fā)器電路, A 相和C 相電路則用虛線(xiàn)概括。
 

移相觸發(fā)器電路仍沿用傳統的單結晶體管式移相觸發(fā)器。即當二極管VD3 陰極電壓升高時(shí),流過(guò)晶體管VT2 的電流(即電容C1 的充電電流) 減小,單結晶體管VT1 輸出的脈沖電壓后移,晶閘管導通角減小,輸出電壓減小。當VD3 管陰極電壓下降時(shí),VT2 管中電流增大,C1 充電速度加快,VT1 管輸出脈沖電壓前移,晶閘管導通角增大,輸出電壓也增大。但VT2 管中的最大電流是受電阻R3 阻值制約的,不可能無(wú)限制地增大,即晶閘管的最大導通角將由R3 鎖定在小于180°大于0°的某個(gè)數值上。

將晶體管誤差放大器更換為運算放大器式的誤差放大器,電路結構將簡(jiǎn)化,且放大倍數方便可調,容易制成比例積分微分調節器(PID) ,使調壓系統的動(dòng)態(tài)特性更趨完美合理。VD2 管將C2 的平滑直流電壓與移相觸發(fā)器上的同步梯形波電壓隔離開(kāi)來(lái)。當來(lái)自主電路的+ 12. 8V 輸出電壓發(fā)生變化時(shí),取樣電位器RP 上的電壓也成比例變化,從而使運放N 的同相輸入端3 腳電壓相應變化,輸出端6 腳電壓按放大倍數變化,最終導致晶閘管輸出電壓產(chǎn)生相反方向的變化,平衡主電路輸出端的變化,保持了輸出電壓的穩定。

當主電路輸出端出現過(guò)流或短路時(shí),輸出電壓至少會(huì )產(chǎn)生較大下跌。而R3 的阻值又限制了晶閘管的最大導通角度,即使晶閘管已達到這個(gè)最大導通角,仍然無(wú)法補償過(guò)電流在主電路上產(chǎn)生的壓降,使主電路輸出端+ 12. 8 V 電壓嚴重下跌(短路時(shí)電壓為0V) 。這樣運放N 同相輸入端3 腳電壓就低于反相輸入端2 腳,于是輸出端6 腳輸出超低電壓,較大電流流過(guò)R3 ,VT2管集電極電壓就會(huì )低于單結晶體管VT1 的峰點(diǎn)電壓,VT1 管不能產(chǎn)生振蕩脈沖,主電路中的三個(gè)晶閘管也就無(wú)法導通,實(shí)現了過(guò)流(短路) 保護。與此同時(shí),蜂鳴器HA 鳴叫,發(fā)光二極管VL 點(diǎn)亮,以聲光的形式告知操作人員:此時(shí)已處于過(guò)流(短路) 保護狀態(tài)。

負載故障排除后,按一下恢復按鈕SA ,C2上的直流電壓通過(guò)電阻R7 重新使運放N 的3 腳電壓高于2腳,6腳再次輸出較高電壓,晶閘管恢復導通, + 12. 8V的輸出電壓恢復正常。電容C3 為啟動(dòng)電容,開(kāi)機瞬間若無(wú)C3 ,主電路尚無(wú)直流電壓輸出,運放N 的3 腳電壓為零,而2 腳電壓高于7 V 以上,故輸出端6 腳電壓很低(約為2V) ,電容C1 上電壓達不到VT1 單結晶體管的峰點(diǎn)電壓,VT1 管無(wú)脈沖電壓輸出,晶閘管不能導通,主電路輸出端就會(huì )—直處于零電壓狀態(tài)。設置C3 后, 開(kāi)機瞬間同步電壓通過(guò)VD2 管對C3 充電,在RP 和R11產(chǎn)生高于運放N 的2 腳電壓,6 腳即輸出較高電壓,使主電路輸出端輸出+12. 8 V 的直流電壓。

不難看出,該電路與集電極輸出式晶體管直流穩壓器有相似之處,但該電路更優(yōu)越——僅用一個(gè)電容就能自行啟動(dòng),且絲毫不影響穩壓性能。

電路調試
該電路與主電路聯(lián)通調試時(shí),不妨將電阻R3 的阻值換大些,然后將主電路輸出端負載逐漸加大。如果加至設定保護電流值以下的某個(gè)電流時(shí)輸出電壓突然降為零,這說(shuō)明過(guò)流保護功能已開(kāi)始實(shí)施,只是實(shí)施得過(guò)早了些。這時(shí)可將R3阻值減小一些,繼續如前進(jìn)行加載實(shí)驗,此時(shí)的保護電流動(dòng)作值應比上次大了一些。繼續減小R3 阻值,直至達到設定保護電流時(shí)實(shí)施保護為止。R3 阻值確認后,當采用相同阻值的固定電阻器取代,盡量不用電位器,以免其阻值調亂而喪失或過(guò)早實(shí)施過(guò)流(短路) 保護功能,妨礙穩壓器的正常應用。

眾所周知,單結晶體管型觸發(fā)器的觸發(fā)功率并不很大,本文所述的應用電路用來(lái)觸發(fā)三相半控晶閘管橋式整流器,其晶閘管規格為100A ,使+ 12.8V 穩壓器輸出電流可達180A ,超過(guò)180A 時(shí),潛隱的過(guò)流(短路) 保護功能顯現———單結晶體管VT1 失去振蕩脈沖,三個(gè)晶閘管截止。主電路中的三相電源變壓器(圖中未畫(huà)出) 的容量和額定電壓值決定了待保護電流動(dòng)作值的上限,至于上限之下為何值動(dòng)作,那就要由電阻R3 的阻值大小來(lái)決定。實(shí)際上,單結晶體管VT1 和三極管VT2 的相關(guān)參數—如分壓比、峰點(diǎn)電壓、谷點(diǎn)電壓、電流放大倍數等,是與R3 阻值一起,共同來(lái)確定保護電流動(dòng)作值的,不過(guò)VT1 和VT2 管參數的離散性較大,一般只用調整R3 阻值大小的方法來(lái)確定保護電流的動(dòng)作值,這樣更方便更經(jīng)濟。這就不難理解:為什么同一型號同一規格的穩壓器會(huì )出現不同的R3 阻值了。對同一臺穩壓器而言,三個(gè)觸發(fā)器中的單結管VT1 、三極管VT2 和電阻R3 的參數值應分別保持一致,以確保三個(gè)晶閘管導通角的一致(對稱(chēng)) 性以及最佳紋波系數。

考慮到穩壓器對輸出電壓的紋波系數有—定要求,而且濾波電感不可能定得太大,輸出直流電壓的可控范圍也就不宜定得過(guò)寬,在供電電壓下限且輸出額定電流時(shí),輸出額定電壓(如+ 12. 8 V) 上下有少許調節余量即可,這就要求制作者必須設計好三相電源變壓器副邊繞組。然后,在調試中調整電阻R3 和電位器RP 阻值,以最終滿(mǎn)足預期的輸出特性的要求。盡管本文繪出的僅是一個(gè)具體的實(shí)用電路,但該電路形式及其工作原理適用于所有移相觸發(fā)晶閘管直流穩壓器,應用時(shí)完全不必拘泥于這一個(gè)“實(shí)用電路”,盡可放開(kāi)思路,憑借該題,充分發(fā)揮,以取得舉一反三的設計成果。

結束語(yǔ)
綜上所述不難發(fā)現,控制電路以及未示出的主電路中,沒(méi)有設置過(guò)流和短路保護電路,也沒(méi)有專(zhuān)設置具有過(guò)流保護功能的元器件,卻能實(shí)實(shí)在在地實(shí)現過(guò)流及短路的可靠保護,而且這種保護電流的動(dòng)作值可以在大范圍內予以調節。這是一種沒(méi)有過(guò)流保護環(huán)節卻具有過(guò)流保護功能的晶閘管直流穩壓器,是單結晶體管移相觸發(fā)器和集成運算放大器合理組合的結果。通過(guò)這一實(shí)例可以得到一些啟示:將一些元器件進(jìn)行合理組合,可以產(chǎn)生意想不到的效果——各種元器件也都或多或少的具備這樣那樣的潛隱功能。從某種意義上來(lái)說(shuō),積極開(kāi)發(fā)元器件潛隱功能的意義,甚至會(huì )超過(guò)開(kāi)發(fā)新的元器件。這就好像將同樣的文字進(jìn)行新的組合,寫(xiě)出了另一篇意境深邃、妙趣橫生的文章一樣。愿本文能對傳統元器件的更多新應用起到拋磚引玉的作用。