大功率晶闸管开关驱动电路状态监测设计＊

2013-11-28黄垂兵潘启军马名中李文禄

舰船电子工程 2013年12期

黄垂兵潘启军马名中李文禄邢旺

（海军工程大学舰船综合电力技术国防科技重点实验室武汉 430033）

1 引言

晶闸管能承受的电压和电流容量仍然是目前电力电子器件中最高的，而且工作可靠，因此在高压大电流电力电子装置中仍然具有重要的地位［1］。晶闸管工作状态（导通）受驱动信号的控制，当工作环境比较恶劣（温度较低），并且当系统对晶闸管导通延时、开通阳极电压下降率、开通时阳极电流上升率要求较高时，为了获得最佳开关特性，减小开关应力和开关损耗，就必须提供合适的触发驱动信号［2～5］。当晶闸管工作在较宽温度范围时，如－40℃～100℃，此时需要根据环境温度给晶闸管门极提供相应功率的驱动信号。

另外由于晶闸管工作在大功率场合，正常工作时其两端电压能达到几千伏特，虽然驱动电路与晶闸管门－阴极之间使用隔离变压器进行了电气隔离，但环境中的湿度过高会影响驱动电路的绝缘性能，严重时可导致灾难性故障。因此，需要对环境的湿度进行监控，以便在驱动电路工作环境湿度过高进行报警并进行采取相关措施进行除湿［6～7］。

晶闸管一旦导通便不再受门极驱动信号控制，此时如果继续给门极施加驱动信号，会降低驱动电路工作效率增大控制器热损耗，同时也会增大晶闸管门极功率损耗而影响晶闸管工作寿命。如果在晶闸管已正常导通的条件下，撤去施加在晶闸管门极的驱动信号，便会大大提高晶闸管的寿命和驱动电路的工作效率［8～10］。

本文以某大功率晶闸管脉冲开关驱动电路为例，对驱动电路工作环境温度、湿度监测电路进行详细设计，并通过获得的环境温度值对湿度进行校准计算；另外通过分压器获取晶闸管阴阳极之间电压值，从而判断晶闸管的导通、关断状态，为触发脉冲的产生和停止提供控制依据。实际应用表明了设计的准确性和可行性。

2 系统结构及工作原理

晶闸管开关系统框图如图1所示，①表示由晶闸管、阻容吸收网络、分压器、温度传感器PT100以及脉冲整形电路所构成的功率开关；②表示晶闸管驱动电路；③表示状态监测电路，由开关状态监测、开关温度监测、控制器温湿度监测、脉冲状态监测等电路构成；④表示控制电路；⑤表示包含状态监测电路、驱动电路、控制电路的控制器；⑥表示远程监控单元；本文只讨论状态监测部分。

图1 晶闸管开关系统框图

工作时，PT100获得开关温度传给开关温度监测电路，分压器采样电阻获得晶闸管阳阴极两端电压传给开关状态监测电路，控制电路根据远程单元指令和开关导通关断状态决定是否让驱动板产生驱动信号、并根据温度值决定驱动信号的功率大小。触发脉冲产生后，脉冲状态监测电路实时监控本次触发是否正常并执行故障报警处理。湿度传感器获取控制器的工作环境湿度，确保控制器内良好的绝缘性能。另外，四个状态监测电路均能将其监控的状态通过控制电路上传给远程单元，进行故障报警提醒管理人员进行故障处理。

3 温度监测设计

3.1 温度传感器PT100

铂热电阻是温度传感器中最受关注的一种，它具有温度系数大，感应灵敏，准确度高；元件尺寸小，使用方便简单；电阻值随温度变化而变化，并且基本呈线性关系；在－200℃～850℃测温范围内，物理、化学性能稳定，长期复现性好，测量精度高，线性度好，长期稳定性高，因此选择铂热电阻传感器，如图2所示为工业中常用的三线制Pt100。

图2 三线制Pt100实物图

图3 电压监测芯片应用电路

3.2 电压监测芯片

MAX8211／8212是一款高性能电压监测芯片，芯片内部包含一个比较器和1.15V稳定参考电压。其原理图及典型应用电路如图3所示。其中8211用于欠压监测，当THRESH管脚电压低于参考电压1.15V时，OUT管脚输出低电平信号；8212用于过压监测，当THRESH管脚电压高于参考电压1.15V时，OUT管脚输出低电平信号。

作欠压监测时，设定检测电压的欠压报警值为VUQ，VUQ为OUT管脚输出的上跳点；解除欠压报警值为，VLQ为OUT管脚输出的下跳点，同时要求VLQ＜VUQ＜VIN；作过压监测时，设定检测电压的过压报警值为VUG，此时VUG为OUT管脚输出的上跳点；解除过压报警值为VLG，VLG为OUT管脚输出的下跳点，同时要求VUG＞VLG＞VIN。

参数选取计算步骤如下：

第1步：选定R1值，其典型阻值在10kΩ～10MΩ之间；

第2步：计算R2的阻值

第3步：计算R3的阻值

或者，当V＋＝VIN时

3.3 温度监测电路设计

3.3.1 XTR105检测电路原理图

利用XTR105芯片将三线制PT100电阻信号转换为4mA～20mA电流信号的电路原理图如图4所示。

图4 温度监测电路原理图

在图4所示的检测电路中：

Rz为RTD最低温度时的电阻值；

式中：R1为 RTD在温度为（Tmin＋Tmax）／2时的阻值；R2为RTD在温度为Tmax时的阻值，RLin1＝1kΩ为内部电阻。

依据DIN IEC 751标准，PT100在不同温度下的标准阻值为：

当温度范围为－200℃～0℃时：

当温度范围为0℃～＋850℃时：

式中：R（T）为PT100在温度为T（℃）时的电阻值。

在图4所示的检测电路中，芯片XTR105将RTD在温度Tmin～Tmax间的电阻值线性变换为4mA～20mA的电流信号；当线缆LIN1开路时，Io＝2.2mA；当线缆LIN2开路时，Io＝27mA；当线缆LIN3开路时，Io＝2.2mA。

3.3.2 检测及报警电路参数计算

设定检测电路的温度测量范围为－50℃～＋150℃。依据第3.3.1节的分析有：

第1步：计算得到RZ＝80.31Ω；R1＝119.4Ω；R2＝157.32Ω；

第2步：计算得到RG＝158.77Ω；RLin1＝16.2051kΩ；RLin2＝18.788kΩ；

第3步：依据标准电阻值表，取RZ＝80.6Ω；RG＝158.77Ω；RLin1＝16.2kΩ；RLin2＝18.7kΩ。

设计高温报警电路如图5所示，因为输出的最大电流为27mA（LIN2开路），取采样电阻R6＝110Ω；有效输出4 mA～20mA时采样电压为0.44V～2.2V，因此每摄氏度对应的电压为（2.2－0.44）／200＝0.0088V，温度计算的公式为

设定过温报警上跳点为90℃，温度超过90℃时开始报警，此时对应报警电压VU＝1.672V；下跳点为84℃，对应电压VL＝1.6226V，温度恢复到84℃便解除警报。依据电压过压检测电路的计算方法取：R9＝9.09kΩ，R10＝20kΩ，R11＝698kΩ。因此，最终设计采样／报警电路及其参数如图5所示。

图5 过温报警电路设计

低温报警方式与过温报警相同，此处不再赘述。现在很多DC／DC电源可以远程控制其启动或者关闭，根据过温、低温信号选择相应的电源模块作为触发脉冲产生的供电电源，便可以实现根据环境温度给晶闸管提供相应功率的触发信号。

4 湿度监测

4.1 湿度传感器及其关键参数

本文选用的湿度检测传感器为HIH系列传感器，该系列湿度传感器关键技术参数如表1所示。

表1 HIH系列湿度传感器关键参数

HIH－40系列湿度传感器工作过程中，其输出电压与检测湿度的关系函数为

检测湿度关于温度的补偿函数为

式中，VSUPPLY为供电电压；SensorRH传感器指示相对湿度；TrueRH为对应温度T下的相对湿度。

4.2 湿度检测电路分析设计

4.2.1 影响因素分析

供电电源为＋5V时，绘制环境温度为－40℃、0℃、50℃和100℃时传感器输出电压与环境相对湿度RH%间的曲线关系如图6所示。

图6 不同温度条件下传感器输出电压与相对湿度间曲线关系

通过图6可以看出，在环境湿度的模拟量检测回路中，以环境温度T＝＋25℃为基准进行计算，由于温度变化会给相对湿度值带来一定的影响，测量误差最大为15%左右。因此计算控制器中真实的相对湿度时，需要将温度因素考虑进来，由于硬件修正比较困难，因此采集到温度值后进行AD转换，在远程单元高级应用程序中按照式（11）进行修正。另外供电电源的波动也会引起湿度传感器输出电压的波动，在监测电路中需要考虑这个因素。

4.2.2 检测及报警电路设计

使用5V供电电源，当供电电压超过5V时，湿度传感器得到的相对湿度值大于实际值；当供电电压小于5V时，湿度传感器得到的相对湿度值小于实际值。为了安全起见，使用过压点电压值5.5V作为供电电压值，相对湿度达90%时进行报警，此时传感器输出电压值为3.949V。湿度传感器检测及报警电路如图7所示。

图7 湿度监测及报警电路

图7中ADCMP比较芯片内部含有稳定门槛电压，具体的电路参数图中都已给出。

5 开关状态监测

5.1 晶闸管开关状态判断依据

普通可控硅具有单向导通的特性，我们无法从其门－阴极的伏安特性中推断其开关状态。但根据其阴阳极之间的电压可以判断其开关状态。如图8所示晶闸管阳阴极电压电流波形图中，选择在电流过零点对晶闸管进行触发导通，阳阴极之间电压不大于其通态峰值电压UTM，那么可以判断晶闸管处于导通状态。对于图1中两个反并联的晶闸管，t1电流过零时刻不论晶闸管处于何种开关状态，此时均产生触发脉冲将其导通，一旦导通之后晶闸管阳阴极之间电压UAK≈UTM；导通之后直到下一个电流过零点t3时刻之前，触发脉冲均可以拆除，每个电流周期一次循环。