單正激驅(qū)動變壓器的磁通復(fù)位問題分析

1、單正激驅(qū)動變壓器的磁通復(fù)位問題分析張 超1，徐向華2 摘要：本文對采用變壓器隔離的單端正激式晶閘管驅(qū)動電路進行了分析研究，主要討論了其傳遞寬脈沖觸發(fā)存在的問題，采用高頻調(diào)制脈沖列觸發(fā)帶來的優(yōu)點，以及高頻調(diào)制脈沖列觸發(fā)所涉及的磁通復(fù)位、波形畸變及有關(guān)參數(shù)設(shè)計問題。磁通復(fù)位原理的分析，并不只局限在本文所研究內(nèi)容中，對于開關(guān)電源設(shè)計也具有指導(dǎo)和借鑒意義。關(guān)鍵字：單端正激式 高頻調(diào)制脈沖 磁通復(fù)位 參數(shù)設(shè)計key words: single ended forward, high frequency modulation pulse, magnetic flux reset, parameter de

2、sign1引言 晶閘管觸發(fā)驅(qū)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(zhuǎn)為導(dǎo)通1,2。廣義上講，晶閘管觸發(fā)電路通常包括驅(qū)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(qū)動環(huán)節(jié)，有關(guān)相位控制電路在有關(guān)教科書中已有討論?，F(xiàn)今晶閘管主要應(yīng)用于交流直流相控整流和交流交流相控調(diào)壓等，適用于這些應(yīng)用的各種驅(qū)動觸發(fā)器都已集成化、系列化。例如目前國內(nèi)生產(chǎn)的kj系列和kc系列的晶閘管驅(qū)動（觸發(fā)）器，都可供研制選用。 為保證晶閘管可靠觸發(fā)導(dǎo)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3?？刂齐娐泛椭麟娐分g的隔離，通常既可以

3、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(cè)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(cè)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(qū)動環(huán)節(jié)，優(yōu)點是毋需另加驅(qū)動電源，多年來一直獲得廣泛應(yīng)用4-6。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(jié)構(gòu)雖然簡單，但是所涉及的電磁作用原理及磁通復(fù)位和參數(shù)設(shè)計問題，還是比較復(fù)雜的，本文就此類問題以及相關(guān)物理過程進行研究分析。 2觸發(fā)驅(qū)動電路結(jié)構(gòu)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(qū)動電路，該驅(qū)動電路由v1、v2構(gòu)成的脈沖放大環(huán)節(jié)和脈沖變壓器tm及

4、附屬電路構(gòu)成的脈沖輸出環(huán)節(jié)兩部分組成。當開關(guān)管v1、v2導(dǎo)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?。?，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(guān)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(dǎo)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

5、響scr工作的效果。 圖1 常見的晶閘管觸發(fā)驅(qū)動電路v1v2.gk vd1和r3的作用十分重要，若該支路斷開，在v2關(guān)斷時會在tm原邊形成很高的自感反電勢，導(dǎo)致v2過壓擊穿。vd1和r3續(xù)流支路，可以使v2在關(guān)斷瞬間的集電極電位大為降低，并且r3越小，此電壓越低。 3寬脈沖觸發(fā)問題 通常采用脈沖變壓器隔離的觸發(fā)驅(qū)動電路，是難以傳遞寬觸發(fā)脈沖的。比如，圖1驅(qū)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(dǎo)通期間，脈沖變壓器原邊電壓u1e2，勵磁電流i0將按照式（1） ldi0/dt=u1（1） /dt，副邊的感應(yīng)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

6、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。f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(yīng)定律u2=n2df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(dǎo)通時間過長，i0會變得很大，從而將導(dǎo)致脈沖變壓器的鐵芯磁通 為了改變這種情況，使副邊輸出觸發(fā)脈沖的持續(xù)時間符合輸入控制信號的要求，實際當中往往采用對輸入寬脈沖信號進行高頻調(diào)制的脈沖列觸發(fā)方式，如圖2（b）所示。調(diào)制頻率一般在數(shù)khz至數(shù)10khz范圍，這一方面可以減小脈沖變壓器鐵芯的體積，另一方面也有利于減小觸發(fā)驅(qū)動功率和提高觸發(fā)的可靠性。圖中輸

7、入脈沖控制信號ub1的持續(xù)作用時間與圖（a）中相同，只是按一定占空比經(jīng)過了高頻調(diào)制。在每一個窄脈沖高電平期間，v2管導(dǎo)通，勵磁電流的上升率為正，i0近直線上升。在v2管關(guān)斷時，由于原邊反電勢作用使u1為負壓，由vd1和r3支路為i0提供續(xù)流通路，同時，由式（1）得知其變化率為負值，i0開始下降，其下降速度決定于負壓的大小。該負壓由i0在r3上的壓降提供（也可以用齊納穩(wěn)壓二極管來代替r3，與vd1背靠背串聯(lián)）。圖2采用脈沖變壓器隔離的兩種晶閘管觸發(fā)驅(qū)動控制方式：（a）寬脈沖觸發(fā)；（b）正常脈沖列觸發(fā)； （c）磁通不能復(fù)位對脈沖列觸發(fā)的影響 4磁通復(fù)位及波形畸變問題 就會越積累越大，逐漸飽和，副邊

8、電壓u2及scr觸發(fā)脈沖列的幅度會逐漸變小，甚至衰減到零，如圖2（c）所示?？梢妑3的取值應(yīng)該合理地選擇，取值過大對磁通加快復(fù)位有利，但對v2管的耐壓要求提高。實際上vd1和r3就是為了v1、v2管由導(dǎo)通變?yōu)榻刂箷r，脈沖變壓器tm釋放其儲存能量而設(shè)置的。f不能復(fù)位到零，經(jīng)過若干個窄脈沖作用之后，f減小到零，通常稱為磁通復(fù)位。圖2（b）所示，為v2管關(guān)斷時的u1負值與其導(dǎo)通時的u1正值相等，均等于電源電壓e2時對應(yīng)的波形（此時v2管關(guān)斷時的集電極電位應(yīng)比電源電壓e2高出一倍），要求此時輸入脈沖列的占空比最大不能超過50%。圖中ugk可以理解為u2經(jīng)過整流之后的波形。若r3取值較小，u1負值較小，對降低v2管所承受的集電極電壓有利，但會使i0的下降速度很慢。若脈沖列的占空比較大，在下一個窄脈沖到來時，可能i0并不能下降到零，這樣就會導(dǎo)致鐵芯磁通f若r3取值較大，反電勢作用產(chǎn)生的u1負值也較大，可以使i0的下降速度較快。其下降速度應(yīng)保證在下一個窄脈沖到來之前，i0下降到零，從而使鐵芯磁通 5.結(jié)束語 本文對采用變壓器隔離的單端正激式晶閘管驅(qū)動電路進行了分析研究，主要討論了其傳遞寬脈沖觸發(fā)存在的問題，采用高頻調(diào)制脈沖列觸發(fā)帶來的優(yōu)點，高頻調(diào)制脈沖列