對晶閘管自供電門極驅(qū)動技術(shù)的研究
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摘要：中壓場合晶閘管的觸發(fā)裝置與低壓情況不同，隔離更加困難，由于晶閘管的陰極電位可能非常高，傳統(tǒng)觸發(fā)裝置所必需的直流電源較難實現(xiàn)。晶閘管自供電門極驅(qū)動器能很好的解決該問題。它利用耦合取能原理，在晶閘管關(guān)斷的時段積蓄并保持能量，在觸發(fā)命令下利用存儲的能量獨自打開晶閘管。它自成模塊，省去了獨立的電源板或輔助供電版，節(jié)省了空間，降低了成本。實驗證明該驅(qū)動器效果理想，有廣闊的發(fā)展前景。
1引言
近年來，中壓變頻驅(qū)動器和交流電動機軟起動器的應用日益增加，這大大推動了SCR門極觸發(fā)裝置的發(fā)展。中壓設備中晶閘管控制觸發(fā)電路的設計與低壓設備不同，低壓設備中晶閘管控制觸發(fā)的設計比較關(guān)鍵的部分是設計隔離變壓器，此變壓器不僅起到了控制觸發(fā)晶閘管的作用，同時也起到了信號隔離的作用，它能將控制電路信號與主電路信號隔離，防止主電路對控制電路的信號干擾。但此變壓器在中壓軟起動設計中，就很難實現(xiàn)，最主要的原因也就是它的信號隔離作用很不理想，絕緣等級不夠高，電磁干擾也較大。于是人們著手研究中壓晶閘管閥行之有效的觸發(fā)隔離方式。從目前的研究水平來看，用光纖觸發(fā)晶閘管并起到電氣隔離的作用是一種相當不錯的選擇。很多人已經(jīng)開始重視光纖的發(fā)展前途，并設計了一些應用電路。但還有一個關(guān)鍵問題一直解決得不夠完善，即：在光纖的接受端需要一個+5V的直流電源，這個電源的地端與晶閘管的陰極等電位,而晶閘管的陰極電位可能非常高，甚至達到上萬伏。雖然主電路的電壓可以很高，但要得到一個穩(wěn)定的5V直流電源并不容易，采用高耐壓等級的隔離變壓器,不僅制造困難,而且成本高，很不劃算，此時晶閘管自供電門極驅(qū)動（SSGD）技術(shù)進入了人們的視線。它基于耦合取能的原理，并使得晶閘管觸發(fā)控制的設計中不再需要獨立的電源板或輔助供電板。應用SSGD的最大好處就是SSGD自成模塊，它降低了中壓軟起動設備的制造費用，同時也大量的節(jié)省了空間，另外SSGD的應用也解決了中壓設備中信號難于隔離的問題，因而有廣闊的發(fā)展前景。
2SSGD技術(shù)的原理
2.1一般的耦合取能電路
SSGD技術(shù)基于耦合取能原理，一般的耦合取能電路如圖所示。
如圖1所示，V1為主晶閘管,、構(gòu)成與晶閘管并聯(lián)的阻容吸收回路，XF為限幅電路。當晶閘管V1處于正向阻斷時,電流為正向,向電容、充電。當電容的端電壓超過限幅值時,限幅電路動作，V3二極管截止，停止給充電。電容的端電壓保持為限幅值,把電容的儲能可以用作觸發(fā)系統(tǒng)的工作電源；觸發(fā)晶閘管V1時,電容通過V1的門極放電；晶閘管V1處于反向阻斷時,為負向，V2構(gòu)成旁通支路,電容被反向充電；當晶閘管V1再次處于正向阻斷時,電容已帶有下正上負的電荷,有助于電容被更快地充電。如此循環(huán)往復。由于取能電路的等效阻抗為容性,并且遠小于緩沖電路阻抗，這樣既不影響阻容吸收,又能耦合取能。
2.2改進的耦合取能電路
實際當中如果觸發(fā)角很小，晶閘管導通角變大，此時儲能電容上儲存的能量就很少了，如果晶閘管一直處于導通狀態(tài),則晶閘管兩端的電壓只能到2V左右，充到儲能電容上的電壓就更低,這顯然達不到要求。
為此，將一般的耦合取能電路進行改進，得到了下面的改進的耦合取能電路。
與一般的耦合取能電路相比，在主電路中串聯(lián)一個電流變壓器。主電路處于截止狀態(tài)時，由，進行電壓耦合取能，為觸發(fā)電路提供電源。主電路導通之后，晶閘管上的壓降很低，不能再進行電壓取能，在這種狀態(tài)下耦合取能的任務由電流變壓器來接替，進行電流耦合取能。當儲能電容器上的電壓達到一定的幅值，則限幅電路動作，三極管VT導通，儲能過程停止，以防止上的電壓過高。晶閘管只有導通和截止兩種工作狀態(tài)：在截止時由電容進行電壓耦合取能；導通時由電感進行電流耦合取能，以此保證觸發(fā)電路在任何狀態(tài)下都能正常工作，完成觸發(fā)任務。另外，耦合取能電路得到的電源紋波比較大，電壓值也不能保證，不能直接用來給后續(xù)電路供電，需要進行濾波和穩(wěn)壓。
2.3SSGD作為晶閘管觸發(fā)裝置的原理
SSGD自成模塊，典型的晶閘管自供電門極驅(qū)動模塊如下圖所示：
首先介紹SSGD應用在單個晶閘管的情況。
SSGD在單個晶閘管中應用的電路拓撲結(jié)構(gòu)如圖4所示,對電路的分析可以根據(jù)晶閘管的開關(guān)狀態(tài)分為以下兩種情況：
2.3.1晶閘管關(guān)斷的時候
當正弦電源的正半周波加在晶閘管上時，如圖所示，電流通過緩沖電阻和緩沖電容給儲能電容充電，直到上的電壓大于穩(wěn)壓二極管的截斷電壓，這時晶閘管被打開，電流從流走，上的電壓保持限幅值。
2.3.2晶閘管開通的時候
當控制信號控制晶閘管開通的時候，SSGD模塊內(nèi)部控制開關(guān)接通，放電，如圖3所示，給晶閘管門極一個觸發(fā)信號，使晶閘管開通。實際上，控制信號是由CPU發(fā)出的電信號轉(zhuǎn)換為光信號，這一光信號再控制SSGD模塊中開關(guān)接通，這樣控制電路與主電路之間就沒有了電的聯(lián)系，從而實現(xiàn)了信號隔離。
下面進一步看一下SSGD在反并聯(lián)晶閘管場合的應用。
下面簡單分析一下電路原理。
(1)CQ1上的初始電荷的積累過程(以CQ1為例說明)
當正弦電源電壓正半周波加在晶閘管上且兩個晶閘管都處于關(guān)斷狀態(tài)時，電流通過RS、CS、Cg1，給儲能電容CQ1充電，這時就積累了儲能電容Cq1上的初始電荷。
(2)當SCR1、SCR2有一個開通時（以SCR2開通為例說明）
當控制信號控制晶閘管SCR2開通，這時SSGD2模塊中的開關(guān)閉合，積蓄在儲能電容CQ2上的能量放電，給晶閘管SCR2門極一個觸發(fā)信號，SCR2開通。緩沖電容CS通過RS、Cg1放電，給儲能電容Cg1充電，如果儲能電容Cg1上的電壓超過穩(wěn)壓二極管的截斷電壓，這時就觸發(fā)了晶閘管SCRo1，電流通過SCRo1，這也是一種為儲能電容Cg1充電的情況。
(3)當SCR1、SCR2都關(guān)斷時
與（1）中類似，電流通過RS、CS、Cg1，給儲能電容Cg1充電，當儲能電容上的電壓超過穩(wěn)壓二極管的截斷電壓時，觸發(fā)晶閘管SCRo1，電流從流過。
3實驗設計及結(jié)果
設計晶閘管自供電門極驅(qū)動電路板用于觸發(fā)反并聯(lián)晶閘管，中壓電機軟啟動所用的交流調(diào)壓電路拓撲就是反并聯(lián)晶閘管，由于是三相電路，總共要觸發(fā)6只晶閘管。
選取合適的電路元件參數(shù)，吸收回路的參數(shù)可按經(jīng)驗公式算出，再考慮儲能電容的影響，不難算出實際有效的緩沖電容值為：
儲能電容Cg1和Cg2的值要遠大于CS以產(chǎn)生R-C緩沖電路的性能，設計過程必須考慮到儲能電容上的電壓降。
設計的電路原理圖如下：
繪制PCB電路板，作相關(guān)實驗，晶閘管觸發(fā)角為90°。考慮了光耦和光纖兩套觸發(fā)方案，采用選擇開關(guān)可對觸發(fā)方式進行選擇，得出以下實驗波形。
每個儲能電容初始電荷的積累是靠晶閘管正向關(guān)段期間電源對其充電實現(xiàn)的。若兩管均關(guān)斷時，也是靠電源對其充電得到的。若是只有一管關(guān)斷，另一管開通，此時主要是靠緩沖電容放電實現(xiàn)儲能。
從實驗波形可以看出，晶閘管門極自控驅(qū)動器實際工作效果還是比較理想的，在一定的觸發(fā)角條件下電容耦合取能足以有效打開晶閘管。
4結(jié)論
晶閘管自供電門極驅(qū)動器可以省去獨立的電源板或輔助供電板，它降低了中壓晶閘管觸發(fā)設備的制造費用，同時也大量的節(jié)省了空間，另外SSGD的最大好處就是它自成模塊，同時解決了中壓設備中信號難于隔離的問題。通過實驗證明了晶閘管門極自控驅(qū)動器觸發(fā)晶閘管系統(tǒng)的可行性，實驗波形理想，該技術(shù)擁有廣闊的發(fā)展前景。
