晶闸管整流常用同步电路比较及应用

2013-09-26许亚飞

电子测试 2013年2期

许亚飞李宏

（西安石油大学电子工程学院，陕西西安 710065）

0 引言

众所周知，在晶闸管类电力电子变流系统中，整流设备输出电压及功率的改变是通过改变晶闸管的触发控制角α来实现的，而同步信号电路工作特性决定了控制角α的精确度。因此，同步信号电路在晶闸管整流电路中扮演着极其重要的角色，其采集精度与响应速度直接影响整流电路输出结果。另外，同步信号电路还有电源隔离和相位匹配功能，前者实现主电路电源和控制电源间的隔离功能，后者实现同步信号与主电路间的匹配[1]。

同步信号电路的重要性也预示着电力电子变流系统对同步信号电路工作特性有着极为严格的要求：

（1）在三相可控整流电路中，向晶闸管整流电路供电的交流侧电源通常来自电网，电网电压的频率不是固定不变的，而是会在允许范围内有一定的波动，此时同步信号电路应体现出较好的稳定性[2]；

（2）目前的变流系统对响应时间有着越来越苛刻的要求，同步信号电路必须迅速的反映出各相电源相位变化；

（3）大、中功率的变流器，对同步电路的精度要求较高，同步信号电路必须准确的传达出各相电源的过零点或者换向点[3]。

本文通过分析四种常用的同步信号电路基本原理，得出各自的优缺点以及应用举例。

1 四种常用同步电路介绍

1.1 同步变压器型信号电路

同步变压器型信号电路如图1（A）所示，采用同步变压器来实现电源隔离、降压和相位匹配获得同步电压，该同步电压值随用户系统工作电压的不同有不同的取值，常用的有效值为6V、9V、12V、30V几种[4]。同步电压经过零检测电路检测过零点并进行波形整定和提取。

图1 三种同步信号原理图

工作原理：为了保证获取同步信号的准确性，同步变压器三相电源输入直接取自主电路，降压后（一般降压后电压等级为几十伏）通过限流电阻触发晶体管，当每相电压升高至过零点后晶体管被触发导通，经过直流电源和上拉电阻整定的同步信号随之产生。

1.2 光耦隔离式同步信号电路

光耦合器广泛应用于电平转换、信号隔离、精密开关电源和微机接口中，其具有速度快、输出线性度好等特点[5]。光耦隔离式同步信号电路如图1（B）所示，采用光电耦合器实现电源隔离和波形整定，其输入电压直接取自整流变压器。

工作原理：该电路输入电压取自整流变压器副边三相电压，经过限流电阻作用后，光电耦合器会随着输入电压的正负周期变化而转变导通或关闭状态，在上拉电阻和直流电源的作用下会生成和输入电压匹配的同步信号。

1.3 晶体管整形式同步信号电路

晶体管整形式同步信号电路如图1（C）所示，采用电阻分压的方法降低电压幅值，然后由晶体管实现电源隔离并整定同步信号波形，其输入电压可以直接取自整流变压器副边。在此应当注意的是在组成该晶体管整形电路时，应根据需求选择管子的型号，本次应用由于输出为数字信号故选择开关类晶体管[6]。

工作原理：输入电压经过电阻分压后，保证相位关系不变的情况下降低了同步电压的幅值，然后经过限流电阻后作用在晶体管上。随着输入电压正负周期的变化和晶体管周期性的导通关断，与之匹配的同步信号也随之产生。整形后的同步信号波形如图2所示，正弦波为220V交流电压，同步信号为高电平为+5V低电平为0V 的矩形波。

图2 同步信号波形图

1.4 光电耦合式同步信号电路

光电耦合式同步信号电路如图3（A）所示，该电路以光耦合器对主电路电压进行隔离耦合来获得同步信号，同步信号直接取自整流电路中共阳极晶闸管的阴极电压，所以触发脉冲具有相位自适应功能。光耦合器PC1～PC5用来起隔离及整形作用，ua、ub、uc为三相同步信号直接由晶闸管的门阴极引线从主回路的三相进线取得，uTa、uTb、uTc、-uTa、-uTb、-uTc为同步环节的输出[7]。

图3 光电耦合式同步信号电路和简化电路

工作原理：对于每一相电压来说，任意时刻总是和与之相连的另一相电压保持导通状态（忽略光耦合器导通压降），比如a、b两相电压，总存在Uab0或者Uab0，即a、b两相通过两个光耦合器相连且彼此导通，这样相邻的两个光耦合器可以简化为两个二极管反向并联，其简化电路1如图3（B）所示，也可表明电路状态为通路，然后将R4、R5和R6组成的角型电路转化为星型电路，与C1、C2和C3组成的星型电路并联，其简化电路2如图3（C）所示。

当三相电源电压为380V工频交流电源，R1=15K，C1=680nF，R4=7.5 K，排阻R7=60.8 K，C4=6.2nF时，示波器测量的uTa、uTb和uTc三路输出波形如图4所示，正弦波为ua输入，依次出现的黄、绿、红矩形波分别为uTa、uTb、uTc同步信号。

图4 uTa、uTb和uTc输出波形

表1 四种常用同步电路的优缺点

2 四种常用同步电路比较

四种常用同步电路各有异同，根据不同的电路结构、电子元器件选择、工作原理和工作环境可总结出其各自的优缺点如表1所示。

3 四种常用同步电路应用举例

3.1 同步变压器型信号电路应用举例

该同步信号电路主要配合其他芯片来完成应有功能，如配合陕西高科电力电子有限责任公司开发的KC168集成电路后可用于双向晶闸管温控系统和单相桥式全控晶闸管整流系统。另外，配合三片KC168集成芯片可组成三相触发器集成电路，如图5同步变压器型信号电路用于三相整流系统所示，同步信号电路输出的三路同步信号分别进入三片KC168的同步信号输入端6引脚，在芯片内部形成数字式锯齿波，然后与移相控制电压相比较生成对应的触发脉冲，直流霍尔电流传感器检测直流输出，起到保护作用。上述应用在多个系列产品中已经体现出较好的实用性和稳定性。

图5 同步变压器型信号电路用于三相整流系统

3.2 光耦隔离式同步信号电路应用举例

该电路配合KC188集成电路后经常用在三相半波、三相桥式半控、三相桥式全控以及其他电路拓扑的三相交流电路中。另外该同步信号电路也应用在陕西高科电力电子有限责任公司开发的三相交流调功及温控系统和多片KC188组成的有源逆变系统中，图6为光耦隔离式同步信号电路用于三相交流调功及控温系统的简图，该系统用光电隔离器和晶体管组成双层保护，三路方波同步信号分别引入虚拟A、B、C三相同步信号输入端，引脚17和引脚6分别是移相控制电压输入端和输入脉冲封锁端。此应用体现出该同步电路的实用性和灵活性。

图6 光耦隔离式同步信号电路用于三相交流调功及控温系统

3.3 晶体管整形式同步信号电路应用举例

该电路和光耦隔离式同步信号电路相似，也经常配合KC188集成电路用在三相半波、三相桥式半控、三相桥式全控以及其他电路拓扑的三相交流电路中。图7为晶体管整形式同步信号电路用于三相半波可控整流系统的应用举例，图中用电阻分压作为同步电压输入，用集电极输出的晶体管来进行同步交流电压到方波电压的转化，该系统工作于开环状态，并且有过流保护功能及缺相或三相严重不平衡保护功能[7]。

图7 晶体管整形式同步信号电路用于三相半波可控整流系统

3.4 光电耦合式同步信号电路应用

目前该电路已成功应用于陕西高科电力电子有限责任公司的KCZ6F-1、KCZ6F-5等诸多晶闸管控制板中，特别是与SGK198或SGK199等数字芯片软硬件结合后，达到了精确安全功效，总体运行取得良好的效果。如图8光电耦合式同步信号电路应用模块所示，当光电耦合同步信号电路依次产生A、AF、B、BF、C和CF六路同步信号时，SGK199芯片根据各路同步信号的下降沿和输入频率开始计数，达到一定数值后产生相应脉冲信号。给定电压转化为对应频率，给定电压越高对应频率越高，芯片内部计数速度越快，对应α角越小，输出功率越大。