基于MATLAB的晶闸管触发电路

基于MATLAB的晶闸管触发电路

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基于MATLAB的晶闸管触发电路

一、触发电路

晶闸管相控电路，习惯称为触发电路，即通过控制触发角a的大小（控制触发脉冲起始相位）来控制输出电压的大小。在晶闸管装置中，触发电路的基本作用是在确定的时刻向对应的晶闸管提供控制极电流使其导通。

触发信号可以是交流，直流或脉冲，但触发信号只能在它使控制极为正，阴极为负时起作用。由于晶闸管在触发导通后控制极就失去控制作用，为减少控制极损耗，一般采用脉冲形式

二、相控整流电路的触发装置

在各种相控变流电路中，晶闸管触发脉冲的前沿对应的控制角是以晶闸管的自然换相点为计量起点的角度。自然换相点则决定于加在晶闸管两端的交流电源电压。因此，为保证正确的相位关系，实现同步触发控制，在触发电路中必须引入与电网电压严格同步的基准信号，成为同步信号。主电路电源电压经同步变压器降压，再经阻容移相，便可获得符合要求的同步信号。

为了保证整流电路按正常规律工作，相控触发电路必须满足以下要求：

1、触发信号要有足够的功率

为使晶闸管可靠触发，触发电路提供的触发电压和触发电流必须大于晶闸管产品参数提供的门极触发电压与触发电流值，即必须保证具有足够的触发功率，同时要求脉冲功率不超过允许瞬时最大功率限

制线和平均功率限制线，以防止因门极过热而造成元件损坏。

2、触发脉冲必须与主回路电源电压保持同步

为了保证电路的品质及可靠性，要求晶闸管在每个周期都在相同的相位上触发。因此，晶闸管的触发电压必须与其主回路的电源电压保持某种固定的相位关系，即实现同步。实现同步的方法通常是选择触发电路的同步电压，使其与晶闸管主电路电压之间满足一定的相位关系。

3、触发脉冲要有一定的宽度，前沿要陡

为使被触发的晶闸管能保持住导通状态，晶闸管的阳极电流在触发脉冲消失前必须达到擎住电流，因此，要求触发脉冲应具有一定的宽度，不能过窄。特别是当负载为电感性负载时，因其中电流不能突变，更需要较宽的触发脉冲，才可使元件可靠导通。

桥式全控整流电路采用单脉冲触发时，脉宽应为60°—120°，而采用双脉冲时，脉宽取10°即可，最后可通过实验决定。对较宽的脉冲信号，也可采用脉冲序列的形式代替。

4、触发电路的触发信号必须在晶闸管的门极伏安特性的可靠触发区，以保证变流装置的主电路元件的互换性，且触发脉冲应保证变流电路的对称性。相控触发电路应采取电磁兼容的技术措施，防止因各方面的电磁干扰而出现失控。

5、触发脉冲的移相范围应能满足主电路的要求

触发脉冲的移相范围与主电路的型式、负载性质及变流装置的用途有关。

常用的触发脉冲信号如图1：

图1 几种常见的触发脉冲信号电压波形（a）为正弦波触发脉冲信号。前沿不陡，触发准确性差，仅用在触发要求不高的场合；

（b）尖脉冲。生成较容易，电路简单，也用于触发要求不高的场合；

（c）矩形脉冲。

（d）强触发脉冲。前沿陡，宽度可变，有强触发功能，适用于大功率场合；

（e）双窄脉冲。有强触发功能，变压器耦合效率高，用于控制精度较高，感性负载的装置；

（f）脉冲序列。具有双窄脉冲的有点，应用广泛。

除以上要求外，还要求触发电路具有动态响应快，抗干扰能力强，温度稳定性好等性能。

三、脉冲电路与晶闸管的连接方式

1、直接连接：操作不安全，主电路干扰触发电路，主要用于实验。

2、光耦合器连接：输入和输出之间电隔离，绝缘性能好，抗干扰能力强。

3、脉冲变压器耦合器连接：有良好的电气绝缘。

直接连接光耦合器连接

脉冲变压器耦合器连接

图2 脉冲电路与晶闸管的连接方式

四、单相可控整流电路的触发电路

1.为满足相控整流电路触发脉冲的基本要求和单相可控整流电路自身的特点，设计了单相触发电路，如图3：

图3 单相触发电路

2.原理：

在单相触发电路中，输入1为控制角的给定值，输入2为电源电压的同步信号输入端。由于整流电路中同一桥臂上下两个晶闸管元件的控制脉冲互差180°，因而只需将其对应的上桥臂的同步电压信号反向作为下桥臂的同步信号。输入信号乘以“-1”后即可作为互差180°的下桥臂的同步信号。模块Mux的作用是将两路信号合并为一个信号列，而每个信号都具有相对独立性。

对于每一个信号，当其由负过零变正时，模块Hit Crossing便会产生一个正向脉冲，即电网电压的同步脉冲。此脉冲一方面作用于积分器的同步输入端，产生积分同步信号，使其开始积分。另一方面，它将转化成布尔类型的量后作用于RS触发器的复位端R。假如其置位端S=Q使其输出Q=0，该信号经过“非”运算后传递到积分器1为输出脉冲做准备。由于积分器的积分斜率为电源的频率，在每个周期内，其积分值为Freq*T=1,而每个周期对应360°电角度，每一度对应积分值为1/360。因而当要求在a度触发晶闸管时，只需要等到a 个1/360时输出触发脉冲即可。模块Relational Operator1将给定的触发角转变为积分值与模块Integrator输出相比较，来产生触发晶闸管的时刻。当达到a角度时，模块Relational Operator1输出“1”，转化为布尔类型的量后作用于Logical Operator模块，由于其另一个输入端同步信号到来时便已经为“1”，所以此时该模块输出由“0”变为“1”，产生一个上升沿，使积分器Integrator1开始积分，其输出信号与给定脉冲宽度相比较后，产生晶闸管的触发脉冲。

由于模块Integrator1的积分斜率也为电源频率，与上述原理相似，若要控制输出脉冲的宽度，只需令模块Integrator1的输出小于某值时有脉冲即可。

输入3的作用是用于控制脉冲的输出。当其输入为非零时，脉冲被封锁。反之，则允许触发脉冲输出。另一方面，模块Logical Operator1的输出经模块Memory送入RS触发器。当其为高电平时，其Q输出端输出“1”，为下次触发脉冲做准备。Memory的作用就是为了防止当同步脉冲与触发脉冲同时到来时，将触发信号向后稍微延迟极小的一段时间，避开同步脉冲，这样既为Integrator1产生积分同步信号，又能为下次以做准备。

由于输出信号为布尔型变量，不能直接驱动晶闸管，故应将其转化为双精度变量。这样就是单相可控整流电路所需的脉冲触发电路。

3.触发脉冲调节电角度和调节脉宽时输出波形的仿真结果：

（1）调节电角度时的脉冲信号波形（脉宽为20）：

a=30°时：

图5 a=30°脉宽为20 a=60°：

图6 a=60°脉宽为20

a=90°：

图7 a=90°脉宽为20 （2）调节脉宽（a=90°）：

脉宽为20：

图8 脉宽为20 a=90°

脉宽为50：

图9 脉宽为50 a=90 脉宽为100:

图10 脉宽为100 a=90

五、总结

本文主要是基于MATLAB/Simulink设计了一个单相脉冲触发装置，通过触发角、脉宽来调节触发触发脉冲。该触发装置仿真得到的脉冲输出波形与实际理论分析的结果相同，而且在单相桥式整流电路中得到了验证。