湖南工学院电力电子技术课程设计教材

2011级课程设计说明书

晶闸管触发电路的设计

院 、 部：电气与信息工程学院

学生姓名： 指导教师： 职称 副教授 专 业： 自动化 班 级： 完成时间： 2014年5月29日

湖南工学院

课程设计任务书

课 程： 电力电子技术

课程设计题目： 单相半波整流电路的设计

单相可控整流电路的设计 三相半波整流电路的设计 三相桥式可控整流电路的研究 直流斩波电路的设计 单相交流调压电路的设计 直流电机调速电路的设计 晶闸管触发电路的设计 晶闸管触发组件的设计

适 用 专 业： 电气与信息工程、自动化 时 间： 2013～2014学年第二学期 指 导 教 师：

摘 要

晶闸管电路是电力电子电路常用电路之一，在生产，生活中应用非常广泛，是一弱强电电路的过渡的桥梁。要使晶闸管开始导通，必须有足够能量的触发脉冲，在晶闸管电路中必须有触发电路。用于晶闸管可控整流电路等相控电路的驱动控制，即晶闸管的触发电路。本课题针对晶闸管的触发电路进行设计，其电路的主要组成部分有移相控制电路，触发脉冲形成电路，同步电压环节，脉冲形成，整形放大和输出环节等电路环节组成，涉及触发电路的方案选择以及选择方案后电路的设计，包括电路的工作原理和电路工作过程中的输出波形。由于知识水平和时间有限，此次课题设计并不全面，有待进一步完善，敬请老师批评指正。

关键词：晶闸管触发电路；触发脉冲；触发电路

ABSTRACT

Thyristor circuit is one of the commonly used circuits of power electronic

circuit, in the production, application is very broad, is a weak bridge of high voltage circuit transition. To make the thyristor conduction, trigger must have enough energy, must have a trigger circuit in the thyristor circuit. For thyristor controlled rectifying circuit and control circuit of the drive control, namely the thyristor trigger circuit. This topic in view of the thyristor trigger circuit design, the main part of the circuit with phase shifting control circuit, trigger pulse forming circuit, synchronous voltage, pulse forming and shaping amplifier and the output link circuit links such as composition, involving the trigger circuit scheme selection and options after the circuit design, including circuit working principle and circuit of the output waveform in the process of work. Because the knowledge level and the time is limited, the project design is not comprehensive, needs to be further perfect, please the teacher comment.

Key words: thyristor trigger circuit; Trigger pulse; Trigger circuit

目 录

一、晶闸管触发电路设计的目的及任务要求............................................................ 1

1.1触发电路设计目的 ......................................................................................... 1 1.2设计的任务指标及要求 ................................................................................. 1 二、触发电路设计方案的选择.................................................................................... 2

2.1可供选择的方案种类 ...................................................................................... 2 2.2方案选择的论证 ............................................................................................. 2 三、锯齿波同步移相触发电路 ................................................................................... 3

3.1触发电路的基本组成环节 .............................................................................. 3 3.2触发电路的工作原理图................................................................................... 3 3.3各元器件参数明细表....................................................................................... 4 四、基本环节的工作原理 ........................................................................................... 5

4.1锯齿波形成和同步移相控制环节................................................................... 5 4.2脉冲形成，整形放大和输出环节 .................................................................. 7 4.3强触发和双脉冲形成环节............................................................................... 8 4.4触发电路的工作波形....................................................................................... 9 五、相位控制的晶闸管单相交流调压器带系统的仿真 ......................................... 11

5.1电路图及工作原理......................................................................................... 11 5.2建立仿真模型................................................................................................. 11 5.3模型参数设置................................................................................................. 12 5.4仿真结果 ........................................................................................................ 15 六、自身的收获、体会及改进想法.......................................................................... 17 参考文献...................................................................................................................... 18 致 谢.......................................................................................................................... 19

一、晶闸管触发电路设计的目的及任务要求

1.1触发电路设计目的

要使晶闸管开始导通，必须施加触发脉冲，在晶闸管触发电路中必须有触发

电路，触发电路性能的好坏直接影响晶闸管电路工作的可靠性，也影响系统的控制精度，正确设计触发电路是晶闸管电路应用的重要环节。

1.2设计的任务指标及要求

1 输入电压：直流+15V,-15V.

2 交流同步电压：20V. 3 移相电压：0 - 10 V. 4 移相范围：大于等于170度. 5对电路进行设计，计算元器件参数.

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二、触发电路设计方案的选择

2.1可供选择的方案种类

1 单结晶体管触发电路

2 正弦波同步触发电路 3 锯齿波同步触发电路 4 集成触发电路

2.2方案选择的论证

1单结晶体管触发电路：脉冲宽度窄，输出功率小，控制线性度差；移相范围

一般小于180度，电路参数差异大，在多相电路中使用不易一致，不付加放大环节。适用范围：可触发50A以下的晶闸管，常用于要求不高的小功率单相或三相半波电路中，但在大电感负载中不易采用。

2 正弦波同步触发电路：由于同步信号为正弦波，故受电网电压的波动及干扰影响大，实际移相范围只有150度左右。适用范围：不适用于电网电 压波动较大的晶闸管装置中。

3 锯齿波同步触发电路：它不受电网电压波动与波形畸变的直接影响，抗干扰能力强，移相范围宽，具有强触发，双脉冲和脉冲封锁等环节，可触发200A的晶闸管。适用范围：在大众中容量晶闸管装置中得到广泛的应用。

4 集成触发电路：移相范围小于180度，为保证触发脉冲的对称度，要求交流电网波形畸变率小于5%。适用范围：应用于各种晶闸管。

根据晶闸管触发电路设计的任务和要求决定采用锯齿波同步触发电路的设计方案进行设计。

2

三、锯齿波同步移相触发电路

3.1触发电路的基本组成环节

触发电路有三个基本环节组成：锯齿波形成和同步移相控制环节，脉冲形成、

整形放大和输出环节，强触发和双脉冲输出环节。

3.2触发电路的工作原理图

图3-1触发电路的工作原理图

3

3.3各元器件参数明细表

图3-2各元器件参数明细表

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四、基本环节的工作原理

4.1锯齿波形成和同步移相控制环节

图4-1锯齿波形成和同步移相控制环节

锯齿波同步移相的原理是利用受正弦同步信号电压控制的锯齿波电压作为同步电压，再与直流控制电压vc与直流偏移电压vb组成并联控制，进行电流叠加，去控制晶体管v4的截止与饱和导通来实现的。 如图4-1所示为恒流源电路方案，由v1、v2、v3和C2等无件组成，其中v1、VS、RP2和R3为一恒流源电路。当V2截止时，恒流源电流I1C对电容C2充电，所以C2两端电压UC为

UC

11I1CdtI1Ct CC UC按线性增长，即V3的基极电位Ub3按线性增攻。调节电位器RP2，即改变

C2的恒定充电流I1C，可见RP2是用来调节锯齿波斜率的。

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当V2导通时，由于R4阻值很小，所以C3迅速放电，使Ub3电位迅速降到零伏附近v2周期性的导通和关断时，Ub3便形成了一个锯齿波，同样Ue3也是锯齿波电压，如图4-4所示。射极跟随器v3的作用是减小控制回路的电流对锯齿波电压Ub3的影响。

V4管的基极电位由锯齿波电压、直流控制电压UCO,直流偏移电压UP三个电压作用的叠加值所确定，它们分别通过电阻R6,R7和R8与基极相接。

设Uh为锯齿波电压Ue3单独作用在V4基极b4时的电压，其值为

R7R8

UhUe3R6(R7//R8) 可见Uh仍为一锯齿波，但斜率比Ue3低。同理偏移电压UP单独作用时b4的电压

UP'为

UP'UPR6R7 R8(R6//R7)可见UP'仍为一条与UP平行的直线，但绝对值比UP小。

直流控制电压UCO单独作用时b4电压UCO'为 UCO'UCOR6//R8 R7(R6//R8)可见UCO'仍为与UCO平行的一直线，但绝对值比UCO小。

如果UCO=0,UP为负值时,b4点的波形由UhUP'4-4所示。当为

UCO正值时，b4点的波形由UhUP'UCOV4的存在，上述电压波形

与实际波形有出入，当b4点电压等于0.7V后，V4导通。之后Ub4一直被钳位在0.7V。所以实际波形如图4-4所示。图中M点是V4由截止到导通的转折点。由前面分析可知V4经过M点时使电路输出脉冲。因此当UP为固定值时,改变UCO便可改变M点的时间坐标，即改变了脉冲产生的时刻，脉冲被移相。可见，加UP的目的是为了确定控制电压UCO=0时脉冲的初始相位。当接阻感负载电流连续时三项全控桥的脉冲初始相位应定在=90度;如果是可逆系统，需要在整流和逆变状态下工作，这时要求脉冲的移相范围理论上为180度，由于锯齿波波形两端的非线性，因而要求锯齿波的宽度大于180度，例如240度，此时，令UCO=0，调节UP的大小使产生脉冲的M点移至锯齿波240度地的中央(120度)，对应于=90度的位置。这时，如UCO为正值，M路处于整流工作状态；如UCO为负值，M管电路处于逆变状态。

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<90度，晶闸管电

>90度，晶闸

在锯齿波同步的触发电路中，触发电路与主电路的同步是指要求锯齿波的频率与主电路电源的频率相同且相位关系确定。从图4-1可知，锯齿波是由开关V2管来控制的。V2由导通变截止期间产生锯齿波，V2截止状态持续的时间就是锯齿波的宽度，V2开关的频率就是锯齿波的频率。要使触发脉冲与主电路电源同步，使开关的频率与主电路电源频率同步就可达到。如图4-1中的同步环节，是有同步变压器TS和作同步开关用的晶体管V2组成的。同步变压器和整流变压器接在同一电源上，用同步变压器的二次电压来控制V2的通断作用，这就保证了触发脉冲与主电路电源同步。

同步变压器TS二次电压UST经二极管VD1间接加在V2的基极上。当二次电压波形在负半周的下降段时，VD1导通，电容C1被迅速充电。因O点接地为零电位，R点为负电位，Q点电位与R点相近，故在这一阶段V2基极为反向偏置，

V2截止。在负半周的上升段，+1E电源通过R1给电容C1反向充电,UQ为电容反向充电波形，其上升速度比UST波形慢，故VD1截止，如图4-4所示。当Q点电位达1.4V时，V2导通，Q点电位被钳位在1.4V.直到TS二次电压的下一个负半周到来时，VD1重新导通，C1迅速放电后又被充电，V2截止。如此周而复始。在一个正弦波周期内，V2包括截止和导通两个状态，对应锯齿波波形恰好是一个周期,与主电路电源频率和相位完全同步，达到同步的目的。可以看出，Q点电位从同步电压负半周上升段开始时刻到达1.4V的时间越长，V2截止时间就越长，锯齿波就越宽。可知锯齿波的宽度是由充电时间常数R1C1决定的。

4.2脉冲形成，整形放大和输出环节

脉冲形成环节由晶闸管V4、控制电压UCO V5组成，V7、V8起脉冲放大作用。加在V4基极上，电路的触发脉冲有脉冲变压器TP二次侧输出，起一次绕组接在

V8集电极电路中。

当控制电压UCO=0时，V4截止。+E1（+15V）电源通过R11供给V5一个足够大的基极电流，使V5饱和导通，所以V5的集电极电压UC5接近于-E1(-15V)。

V7、V8处于截止状态，无脉冲输出。另外，电源的+E1(15V)经R9、V5发射结到-E1(-15V)，对电容C3充电，充满后电容两端电压接近2E1 (30V),极性如图4-2所示:

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图4-2脉冲形成，整形放大和输出环节

当控制电压UCO近似等于0.7V时，V4导通，A点电位由+E1(+15V)迅速降低至1.0V左右，由于电容C3两端电压不能突变，所以V5基极电位迅速将至约-2E1(-30V),由于V5发射结反偏置，V5立即截止。它的集电极电压由-E1(-15V)迅速上升到钳位电压+2.1V（VD6、V7、V8三个PN结正向压降之和），于是V7、

V8导通，输出触发脉冲。同时，电容C3经电源+E1、R11、VD4、V4放电和反向充电，使V5基极电位又逐渐上升，直到Ub5>-E1(-15V),V5又重新导通。这时UC5又立即将到-E1,使V7、V8截止，输出脉冲终止。可见，脉冲前沿由V5导通时刻确定，V5(或V6)截止持续时间即为脉冲宽度。所以脉冲宽度与反向充电回路时间常数R11C3有关。

4.3强触发和双脉冲形成环节

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图4-3强触发和双脉冲形成环节

强触发环节有单相桥式整流获得近似50V直流电压作电源，在V8导通前，50V电源经R15对C6充电，N点电位为50V。当VD15导通时，C6经脉冲变压器一次侧，R16与V8迅速放电，由于放电回路电阻很小，N点电位迅速下降，当N点电位下降到14.3V时，VD15导通，脉冲变压器TP改由+15V稳压电源供电。这时虽然50V电源也在向C6再充电使它电压回升，但由于充电回路时间常数较大，N点电位只能被15V电源钳位在14.3V。电容C5的作用是为了提高强触发脉冲前沿。加强触发后，脉冲变压器TP一次电压 近似如图4-4所示。

如图4-1中V5、V6两个晶体管构成一个“或”门。当V5、V6都导通时,UC5约为-15V，使V7、V8都截止，没有脉冲输出。但只要V5、V6中有一个截止，都会使UC5变为正电压，使V7、V8导通，就有脉冲输出。所以只要用适当的信号来控制V5或V6的截止（前后间隔60度），就可以产生符合要求的双脉冲。其中，第一个脉冲有本相触发单元的UC对应的控制角所产生，使V4由截止变为导通造成V5瞬间截止，于是V8输出脉冲。相隔60度的第二个脉冲是由滞后60度相位的后一相触发单元产生，在其生成第一个脉冲时刻将其信号引至本相触发单元V6的基极，使V6瞬时截止，与是本相触发单元的V8管又导通，第二次输出一个脉冲，因而得到间隔60度的双脉冲。其中VD4和R17的作用，主要是防止双脉冲信号相互干扰。

4.4触发电路的工作波形

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图4-4触发电路的工作波形

锯齿波宽度有充电时间常数R1C1决定，T1R1C1=10 脉冲宽度由时间常数

R11C3决定，T2R11C3=3

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五、晶闸管触发电路中的单相交流调压器带系统的仿真

5.1电路图及工作原理

图5-1单相交流调压电路（阻感负载）原理图

在交流电源U1的正半周和负半周，分别对VT1和VT2的触发延迟角进行控制，使得输出电压波形为正弦电压的一部分，从而实现调节输出电压的目的，负载阻抗角=arctan(L/R),负载电压相位滞后于晶闸管输出电压相位，把

=0°的时刻定在电源电压过零的时刻，显然阻感负载下稳态时ɑ的移相范围为

-π

5.2建立仿真模型

根据原理图用matalb软件画出正确的仿真电路图，整体模型如图所示

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图5-2整体仿真电路图

5.3模型参数设置

①交流电压源 参数设置为频率50Hz，电压幅值220V，“measurements”测量选“Voltage”其他为默认设置，如图所示。

②脉冲信号发生器 振幅A=12V，周期T=0.02，占空比30%，时相延迟（1/50）x（/360）如图所示 为移相控制角两个脉冲 信号发生器相位相差180°

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③晶闸管

④RLC元件

不勾选“Show measurement port”

Ω，H=1e-3H，C=inf 其他均为默认设置

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R=1

⑤万用表

⑥示波器

选择Usrc：U1，测量交流电源电压

设置Number of axes 为5，显示5段波形

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5.4仿真结果

设置Pulse1触发脉冲角1分别为30°、60°、90°、120°、150°，Pulse2触发脉冲角2对应为210°、240°、270°、300°、330°，产生的相应波形分别如图所示， 第一列为晶闸管两端电压uVT波形，第二列脉冲信号Ug波形，第三列负载电流I0波形，第四列电压U0波形，第五列为交流电源U1波形。

阻感负载 触发角ɑ=30°

阻感负载 触发角ɑ=60°

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阻感负载 触发角ɑ=90°

阻感负载 触发角ɑ=120°

阻感负载 触发角ɑ=150°

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六、自身的收获、体会及改进想法

经过两周的课程设计，使我对晶闸管触发电路有了更深一步的了解。在此次课题的设计中，让我看到了团队合作，共同进步的重要性，并且通过对资料的查找搜集，归纳总结和独立思考，使自己又有了一次较好的锻炼机会。我逐渐意识到要想做好一件事情必须要动脑思考，有计划，有目的的进行实践，才会是办事的效率更高，效果更好。做事首先要通过自己的努力后，如果发现存在不明白的地方在想别人请教，采纳别人的意见，共同达到目标。我还发现了许多自身的毛病，自己有很多东西都不会，有很多只是需要去学习，就晶闸管触发电路的设计这一课题而言，发现许多以前学过的知识都记不太清了，学的不牢固，比如说制作电子版的课程设计需要用Word文档，里面还有一些知识没有掌握好，温故而知新，才会不断提高。以前没有学过的AutoCAD , protel等画图软件也通过本次课程设计学到了许多。本次课题设计可能不是最优方案，还存在漏洞和不足之处，在以后的学习过程中，还要不断的积累这方面的知识，也要加强学习电脑方面的知识，最重要的一点是我知道了只有不断的尝试才会有更多的收获。

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参考文献

[1]．王兆安，黄俊主编．电力电子技术[M]．第四版．北京：机械工业出版社，2004年1月

[2]．王云亮主编．电力电子技术[M]．第一版．北京：电子工业出版社，2004年8月

[3]．梁廷贵主编．现代集成电路实用手册可控硅触发电路分册[M]．北京：科学技术文献出版社，2002年2月

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致 谢

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