中心議題：

• 介紹晶閘管直流穩(wěn)壓器控制電路的工作原理
• 分析晶閘管直流穩(wěn)壓器電路調(diào)試

解決方案：

• 采用晶閘管直流穩(wěn)壓器，實(shí)現(xiàn)過流及短路的可靠保護(hù)
• 應(yīng)用電路用來觸發(fā)三相半控晶閘管橋式整流器

盡管功率場效應(yīng)VDMOS 和絕緣柵雙極型晶體管IGBT等電力半導(dǎo)體元器件層出不窮,且在電力電子技術(shù)領(lǐng)域占據(jù)重要位置,晶閘管(可控硅) 卻因耐高壓耐大電流沖擊的特性,仍有著穩(wěn)固的陣地,受到用戶的青睞。在擯棄電流采樣、放大和執(zhí)行等多個(gè)環(huán)節(jié)的情況下,將單結(jié)晶體管移相觸發(fā)器中的晶體管誤差放大器改為集成運(yùn)算放大器,就可實(shí)現(xiàn)晶閘管直流穩(wěn)壓器的過流及短路保護(hù),簡化了電路結(jié)構(gòu),并提高了整機(jī)的穩(wěn)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(yùn)放的晶閘管直流穩(wěn)壓器的控制電路如圖1 所示。被控主電路(圖中未畫) 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(fù)和繁瑣,圖中僅示出B 相的移相觸發(fā)器電路, A 相和C 相電路則用虛線概括。
 

移相觸發(fā)器電路仍沿用傳統(tǒng)的單結(jié)晶體管式移相觸發(fā)器。即當(dāng)二極管VD3 陰極電壓升高時(shí),流過晶體管VT2 的電流(即電容C1 的充電電流) 減小,單結(jié)晶體管VT1 輸出的脈沖電壓后移,晶閘管導(dǎo)通角減小,輸出電壓減小。當(dāng)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(dǎo)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,不可能無限制地增大,即晶閘管的最大導(dǎo)通角將由R3 鎖定在小于180°大于0°的某個(gè)數(shù)值上。

將晶體管誤差放大器更換為運(yùn)算放大器式的誤差放大器,電路結(jié)構(gòu)將簡化,且放大倍數(shù)方便可調(diào),容易制成比例積分微分調(diào)節(jié)器(PID) ,使調(diào)壓系統(tǒng)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來。當(dāng)來自主電路的+ 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(yùn)放N 的同相輸入端3 腳電壓相應(yīng)變化,輸出端6 腳電壓按放大倍數(shù)變化,最終導(dǎo)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(wěn)定。

當(dāng)主電路輸出端出現(xiàn)過流或短路時(shí),輸出電壓至少會產(chǎn)生較大下跌。而R3 的阻值又限制了晶閘管的最大導(dǎo)通角度,即使晶閘管已達(dá)到這個(gè)最大導(dǎo)通角,仍然無法補(bǔ)償過電流在主電路上產(chǎn)生的壓降,使主電路輸出端+ 12. 8 V 電壓嚴(yán)重下跌(短路時(shí)電壓為0V) 。這樣運(yùn)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R3 ,VT2管集電極電壓就會低于單結(jié)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)晶閘管也就無法導(dǎo)通,實(shí)現(xiàn)了過流(短路) 保護(hù)。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)已處于過流(短路) 保護(hù)狀態(tài)。

負(fù)載故障排除后,按一下恢復(fù)按鈕SA ,C2上的直流電壓通過電阻R7 重新使運(yùn)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(fù)導(dǎo)通, + 12. 8V的輸出電壓恢復(fù)正常。電容C3 為啟動(dòng)電容,開機(jī)瞬間若無C3 ,主電路尚無直流電壓輸出,運(yùn)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(dá)不到VT1 單結(jié)晶體管的峰點(diǎn)電壓,VT1 管無脈沖電壓輸出,晶閘管不能導(dǎo)通,主電路輸出端就會—直處于零電壓狀態(tài)。設(shè)置C3 后, 開機(jī)瞬間同步電壓通過VD2 管對C3 充電,在RP 和R11產(chǎn)生高于運(yùn)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(wěn)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(wěn)壓性能。

電路調(diào)試
該電路與主電路聯(lián)通調(diào)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(fù)載逐漸加大。如果加至設(shè)定保護(hù)電流值以下的某個(gè)電流時(shí)輸出電壓突然降為零,這說明過流保護(hù)功能已開始實(shí)施,只是實(shí)施得過早了些。這時(shí)可將R3阻值減小一些,繼續(xù)如前進(jìn)行加載實(shí)驗(yàn),此時(shí)的保護(hù)電流動(dòng)作值應(yīng)比上次大了一些。繼續(xù)減小R3 阻值,直至達(dá)到設(shè)定保護(hù)電流時(shí)實(shí)施保護(hù)為止。R3 阻值確認(rèn)后,當(dāng)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(diào)亂而喪失或過早實(shí)施過流(短路) 保護(hù)功能,妨礙穩(wěn)壓器的正常應(yīng)用。

眾所周知,單結(jié)晶體管型觸發(fā)器的觸發(fā)功率并不很大,本文所述的應(yīng)用電路用來觸發(fā)三相半控晶閘管橋式整流器,其晶閘管規(guī)格為100A ,使+ 12.8V 穩(wěn)壓器輸出電流可達(dá)180A ,超過180A 時(shí),潛隱的過流(短路) 保護(hù)功能顯現(xiàn)———單結(jié)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(圖中未畫出) 的容量和額定電壓值決定了待保護(hù)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 的阻值大小來決定。實(shí)際上,單結(jié)晶體管VT1 和三極管VT2 的相關(guān)參數(shù)—如分壓比、峰點(diǎn)電壓、谷點(diǎn)電壓、電流放大倍數(shù)等,是與R3 阻值一起,共同來確定保護(hù)電流動(dòng)作值的,不過VT1 和VT2 管參數(shù)的離散性較大,一般只用調(diào)整R3 阻值大小的方法來確定保護(hù)電流的動(dòng)作值,這樣更方便更經(jīng)濟(jì)。這就不難理解:為什么同一型號同一規(guī)格的穩(wěn)壓器會出現(xiàn)不同的R3 阻值了。對同一臺穩(wěn)壓器而言,三個(gè)觸發(fā)器中的單結(jié)管VT1 、三極管VT2 和電阻R3 的參數(shù)值應(yīng)分別保持一致,以確保三個(gè)晶閘管導(dǎo)通角的一致(對稱) 性以及最佳紋波系數(shù)。

考慮到穩(wěn)壓器對輸出電壓的紋波系數(shù)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(diào)節(jié)余量即可,這就要求制作者必須設(shè)計(jì)好三相電源變壓器副邊繞組。然后,在調(diào)試中調(diào)整電阻R3 和電位器RP 阻值,以最終滿足預(yù)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(wěn)壓器,應(yīng)用時(shí)完全不必拘泥于這一個(gè)“實(shí)用電路”,盡可放開思路,憑借該題,充分發(fā)揮,以取得舉一反三的設(shè)計(jì)成果。

結(jié)束語
綜上所述不難發(fā)現(xiàn),控制電路以及未示出的主電路中,沒有設(shè)置過流和短路保護(hù)電路,也沒有專設(shè)置具有過流保護(hù)功能的元器件,卻能實(shí)實(shí)在在地實(shí)現(xiàn)過流及短路的可靠保護(hù),而且這種保護(hù)電流的動(dòng)作值可以在大范圍內(nèi)予以調(diào)節(jié)。這是一種沒有過流保護(hù)環(huán)節(jié)卻具有過流保護(hù)功能的晶閘管直流穩(wěn)壓器,是單結(jié)晶體管移相觸發(fā)器和集成運(yùn)算放大器合理組合的結(jié)果。通過這一實(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。從某種意義上來說,積極開發(fā)元器件潛隱功能的意義,甚至?xí)^開發(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(tǒng)元器件的更多新應(yīng)用起到拋磚引玉的作用。