一种H型桥式大功率晶闸管触发电路设计

2019-12-20余先涛郭炎彬

数字制造科学 2019年4期

余先涛，郭炎彬

(武汉理工大学机电工程学院，湖北武汉 430070)

晶闸管被广泛应用于大功率开关控制电路，对于晶闸管本身，又需要通过其它电路来进行触发控制。对于需要强触发脉冲的大功率晶闸管交流装置，传统的触发电路一般为一些晶体管或集成的小功率开关组成的电子触发电路[1]，这种电路驱动的晶闸管功率小，驱动电路容易受功率主回路的电流干扰造成触发电路工作异常。

韶山系列电力机车整流柜中大量采用诸如KP1800-30类型的大功率晶闸管，这类晶闸管的触发电路前端采用的是脉冲变压器模块，如株洲电力机车研究所研制的GZ7-41-000脉冲输出盒，采用脉冲输出盒可以有效地隔离晶闸管触发电路与晶闸管主电路的电气联系，具有很好的抗干扰性能，同时可以为大功率晶闸管提供足够幅度的触发脉冲[2]。

针对GZ7-41-000脉冲输出盒的输入触发脉冲的要求，设计单个脉冲输出盒的触发电路，并在此基础上设计三相全控整流电路的晶闸管可控触发电路。由于单片机微处理器在定时和计数方面的卓越性能，并且有足够的输出可以满足三相全控整流电路六路晶闸管驱动的需要[3-4]，在由单个H桥脉冲输出盒触发电路基础上，由一片单片机构成六路H桥触发电路的控制，配合针对三相交流电的过零触发，实现对三相全控整流输出的PID调节。

1 H型桥式触发电路设计

1.1 三相全控整流中的晶闸管触发

单片机控制的三相全控整流电路一般由晶闸管触发电路、三相交流过零检测[5]和移相触发脉冲输出等部分组成。其中大功率晶闸管触发电路采用H型桥式触发电路。单片机采用Mega 2560型单片机，该单片机的特点是接口丰富，具有模拟量输入和输出接口，方便对整流桥输出的电压或电流进行检测以及对三相交流的过零点进行检测；具有开关量输入接口，可以用于输入操作命令；具有开关量输出接口，可以输出用于驱动H型桥式驱动电路的触发脉冲。此外，该单片机还具有编程方便简单的特点，使用类似于C语言的编程[6]，具有丰富的库函数，方便进行PID运算及I/O口和模拟检测与输出控制[7]，系统总体结构如图1所示。

图1 系统的总体结构框图

系统中由于是针对三相全控晶闸管的驱动，设计的H型桥式驱动电路需要6个通道实现对全部6个晶闸管的驱动控制。

晶闸管的触发是由GZ7型脉冲输出盒对单片机输出隔离和放大后加载晶闸管的控制极。

1.2 GZ7-41型脉冲输出盒的驱动要求

在韶山系列的电力机车中使用到各种大功率的晶闸管，其中有KP1800-30这样的1 800 A大电流的晶闸管，这种晶闸管的驱动采用GZ7-41-000的脉冲输出盒，这种脉冲输出盒的驱动类似于脉冲变压器，在其驱动的输入(相对于脉冲变压器的原边)为10 kHz的交流脉冲信号，该交流脉冲信号的幅值为24 V，本设计主要是针对这种型号的晶闸管的触发驱动，为了满足GZ7型脉冲输出盒的输入要求，设计的驱动电路输出的脉冲信号的频率为10 kHz、幅值为24 V。

1.3 基于IR2104的H型桥式交流驱动电路

根据GZ7型脉冲输出盒的输入脉冲要求，采用一种单片机控制的H型桥式电路产生脉冲输出盒要求的10 kHz交流24 V原边脉冲是可行的设计方案，H型桥式电路采用了4个NMOSFET IRF540N管作为电子开关桥臂，MOS管可以输出大电流的脉冲信号，如图2所示。工作时T1、T4同时导通时，T2、T3同时截止；或者反之，这样在GZ7脉冲盒中形成交变的24 V电压，由单片机控制交变输出的频率，即可满足GZ7脉冲输出盒的脉冲变压器输入要求，并在其副边形成驱动晶闸管导通的脉冲。

图2 NMOSFET构成的H型桥式GZ7原边驱动

对于H型桥式电路中的IRF540N的驱动，根据H桥4个开关器件的工作特点，这里选用IOR公司生产的半桥驱动芯片IR2104。IR2104是高压、高速功率型场效应管和绝缘栅双极型晶体管的驱动芯片，这里用来驱动场效应管IRF540N。该芯片采用集成的电平转换技术，提高了驱动电路的可靠性和灵活性，并具有硬件死区，防止同臂同时导通等功能，特别是上管采用外部自举电容上电，使得驱动电源数目较其它IC大大减少[8]。

图3为由2片半桥驱动IR2104组成的一个全桥H型GZ7原边驱动电路。在图3中，由Q11、Q12、Q13和Q14组成H型全桥电路，GZ7的原边接P1-1A和P1-1B之间。IR2104是一个高压驱动芯片[9],VB、VS为上管供电，HO为上管驱动输出；COM为下管驱动供电，LO为下管驱动输出；IN为信号的输入端。此半桥电路的上下桥臂是交替导通的,每当下桥臂开通,上桥臂关断时VS脚的电位为下桥臂功率管Q12的饱和导通压降,基本上接近地电位,此时VCC通过自举二极管D11对自举电容C11充电使其接近VCC电压。当Q12关断时VS端的电压就会升高,由于电容两端的电压不能突变,因此，VB端的电平接近于VS和VCC端电压之和,而VB和VS之间的电压还是接近VCC电压。当Q12开通时,C11作为一个浮动的电压源驱动Q12；而C11在Q12开通其间损失的电荷在下一个周期又会得到补充,这种自举供电方式就是利用VS端的电平在高低电平之间不停地摆动来实现的。当使能芯片后，在输入端输入高电平，则在HO输出高电平，LO输出低电平。在输入端输入低电平时，HO和LO的输出则相反。电路中采用一片74LS01作为全桥的两个IR2104的控制脉冲反向，使两个半桥实现对称输出，以便在GZ7的原边形成24 V的交变输出。74LS01由单片机的开关量输出控制，两路开关量，其中P1.4由于产生IR2104的封锁控制，P1.0用于产生10 kHz的脉冲信号[10]。

图3 H型全桥IR2104驱动电路

2 系统软件的设计

软件设计包含系统的初始化、控制角的计算与输入、同步信号的输入与检测、脉冲的输出、系统的复位。

系统的初始化主要是单片机端口初始化，包括输入/输出口、AD/DA口的定义、同步信号的输入与检测及三相过零信号的检测，通过直流输出电压的检测，再通过PID计算后形成每个晶闸管触发的导通角(控制角)，最后输出控制每路晶闸管的IN信号和SD信号。

笔者设计的三相全控整流触发电路具有两个输出控制，即三相全控可控输出和六路晶闸管同时触发输出，由于在对SS系列电力机车整流柜进行均压和均流试验时，需要整流柜中的所有晶闸管的0°控制角打开，不需要对其三相交流输入进行过零检测和控制角计算，因此，在控制板选择整流柜试验时，上电即同时输出六路晶闸管的触发脉冲信号。软件控制流程如图4所示。