晶闸管移相触发电路的基本构成

移相触发电路的基本构成
1、用双运放电路做成的移相电路实例

图1 用双运放作移相电路
电路工作原理简述：
请与下图2波形图相对照，电路中各点工作电压波形以V1~V7标出。
〔同步脉冲电路〕VD1、VD2、R1、VDT1、IC2-1等元件组成电压过零同步脉冲电路。T1电源变压器二次绕组输出的双18V交流电压，经全波整流后，一路经二极管VD3隔离电容滤波，7815稳压成+15V，供控制电路IC的供电电源，一路经R1、VDT1削波成梯形波电压，输入IC2-1运算放大器的反相输入端2脚，与同相输入端3脚由R2、R3对电源分压取得的基准电压相比较后，由1脚输出电网过零点同步脉冲电压信号。IC2-1的同相输入端为全波整流所得的同步信号，对应电网正、负半波的100Hz同步脉冲，经后级电路生成移相脉冲，使主电路双向晶闸管在正、负半波期间均得到一个触发脉冲，实现了交流调压。主电路形式请参阅图2-16的c电路。
〔锯齿波形成电路〕充放电电容C4、晶体管VT1、VT2等元件组成（负向）锯齿波形成电路。RP1、R5、VT1、VT2等元件构成恒流源电路，VT2的集电极与基极短接，以取得约0.7V的稳定电压做为VT1的偏置电压，使VT1的Ib、Ic电流近似于恒定值，使VT1集电极与发射极之间维持较为恒定的等效电阻值，VT1又称为恒流放电管。当IC2-1输出的电网过零高电平脉冲到来时，C4经R4限流充电，因充电时间常数小，使C4上电压快速升至IC2-1输出的脉冲电压峰值，过零点脉冲消失后，IC2-1放大器1脚变为地电平，二极管VD4反偏截止。此进C4经VT1集电极、发射极到电源地进行恒流放电，使C4两端产生线性下降的锯波波电压。当C4放一定程度时（C4上电压接近地电平，但有一定的剩余电压），IC2-1输出的过零点矩形脉冲又再度到来，重新对C4充电。恒流放电（或充电）控制，是为了提高锯齿波的线性，以便于与线性控制电压相比较，得到线性调压控制。这样一来，总是在电网电压过零点时刻出现时，C4被充电，锯齿波电压的上升段与电网过零点相对应。
C4上经IC2-1充电和VT1线性恒流放电形成的、与电网电压过零点相对应的锯齿波电压，输入至IC2-1电压比较器的同相端，与控制信号相比较，产生交相点，使IC2-2输出的调宽脉冲产生变化，在调宽脉冲的下降沿时刻，取出移相触发脉冲。

图2 电路各点波形图
〔移相脉冲形成电路〕RP2为调压电位器，即人工外部给定调压控制信号，若需形成电压或电流闭环（稳压）控制，给定信号还须与电压极性相反的反馈信号相混合，形成新的控制信号，输入到IC2-2的反相输入端。IC2-2附属元件组成调宽脉冲输出电路，同相输入端的负向锯齿波与反相端直流电压控制信号，产生交相点，随着交相点的移动，输出脉冲宽度产生相应变化。当控制电压下降时，交相点下移，使锯齿波高于控制电压的“面积”加大，IC2-2输出脉冲宽度增加，与V6脉冲下降沿相对应的触发脉冲右移，晶闸管控制角增大，输出电压变低；当控制电压上升时，交相点上移，V6脉冲上升沿位置不变，下降沿收缩左移，脉冲宽度变窄。触发脉冲左移，往电压过零点靠近，晶闸管控制角变小，输出电压升高。
移相脉冲形成电路，又称为比较移相电路，是将“同步锯齿波”与控制电压相比较，得到移相脉冲。
〔末级触发电路〕IC2-2输出的调宽矩形波，经VDT3稳压管，加到触发功率放大器VT3的基极。在调宽脉冲V6的上升沿和平顶阶段，VT3零偏置处于截止状态，当调宽脉冲V6的下降沿到来时，VDT3稳压管反向击穿，PNP型VT3晶体三极管正偏导通，经脉冲变压器T2的一次绕组、R8、C5产生一个脉冲电流，二次绕组产生感应脉冲电流，触发主电路双向晶闸管导通。
〔移相失交电路〕在由模拟和数字电路构成移相触发电路时，“移相失交现象”成为一个不容回避的问题，电路中VD5为移相失交保护电路，VD6为隔离二极管，使直通脉冲不受移相电路的影响。当控制电压逐渐升高，交相点逐渐上移，按道理，当交相点升至锯齿波峰顶时，触发脉冲左移至电压过零点，晶闸管控制角最小（导通角最大），应能使调压输出值接近或等于电源电压。但事实是：当控制电压等于或大于锯齿波峰顶电压时，IC2-1电压比较器输出的为电源地电平（电压为0V），脉冲信号消失不见了，后级触发电路不再有触发脉冲输出，在控制电路给出了晶闸管最大导通角时，移相控制失败，晶闸管丢失触发脉冲，工作停止。此种现象称为移相失交。
增加移相失交保护电路，可解决这一问题。当IC2-2的7脚输出调宽脉冲信号V6消失时，二极管VD6反偏截止，比较移相电路停止工作。IC2-1的输出脚1脚输出的对应于电网过零点的正向同步脉冲V3经VD5、VDT3加到脉冲功率放大器VT3的基极，使VT3在同步脉冲V3下降沿到来时正偏导通，输出导通角最大的触发脉冲，负载工作于全电压状态，避免了负载电路在接近全电压运行时，突然停止工作的现象。
2、移相触发电路的调整
1）零点调整。调整RP1，使V4的最低点稍高于0，这样当RP2调至0时，触发脉冲消失，使控制器输出为0，停止工作。
2）将RP2调至最大，而改变反馈量，使控制器输出达到最大值，这时负载电压为最高，然后逐渐将RP2调至0，负载电压随之减至最低即可。
3）移相触发电路的基本结构
从图2-26移相触发电路的结构，可得出较典型的移相触发电路的构成图，见图3。


图3移相触发电路的基本结构
移相触发电路有四个大环节：同步脉冲电路、锯齿波形成电路、移相比较/移相脉冲形成电路、末级触发电路。同步脉冲电路，由同步变压器或其它元件，从电网取得变化规律一致，但电压幅度较低的正弦波，再进一步经整形等处理为，与电网过零点相对应的矩形同步脉冲，参见图2-27中的V3波形；锯齿波形成电路，RC充放电电路，受矩形同步脉冲的控制，形成与电网过零点同步的锯齿波电压。参见图2-27中的V4电压波形；移相比较/移相脉冲形成电路，锯齿波电压与给定调压信号（控制直流电压）相比较，产生交相点，得到调宽脉冲输出，其下降沿（有的电路是上升沿）对应触发脉冲出现的时刻。经后级电路（如微分电路、定脉宽输出电压等）处理，得到移相触发脉冲。见图2的V6、V7电压波形；末级触发电路，是将前级电路送来的移相脉冲，进行电流和功率放大，达到晶闸管的驱动电流值，保障晶闸管的可靠开通。
在此仅给出电路结构分析，其相关电路的实际构成，是多种多样和丰富多彩的，请参阅本书相关章节的内容。
另外，交流调压，还有一种过零触发的控制方法，在后文中辟专章进行讨论，此处略过。
图1为最基本的移相调压电路结构，较为完善的交、直流调压系统中，还包含各类电压、电流检测与保护电路、相序检测与缺相保护电路、PI闭环控制电路等功能扩展电路。将在后文逐一介绍。
3、脉冲信号的类型
上述电路中，末级触发电路输出的移相触发脉冲信号，多为尖脉冲。脉冲宽度窄，出现的时刻短，用于电阻负载或小功率晶闸管的触发，一般都能满足要求。当用于大功率电路或感性负载时，因晶闸管接受触发信号后，其开通电流的形成有一定的时间延迟，再就是电感负载电路，有电流滞后特性，若在晶闸的开通电流尚未达到维持电流以前，触发脉冲即行消失，会造成触发失败，晶闸管不能可靠开通。所以移相触发电路的后级电路，有时还增设有脉冲展宽或定脉宽输出电路，将前级可调脉宽信号处理成定脉宽信号（矩形定宽脉冲），根据负载电路类型和触发要求，矩形脉冲的宽度可以调整，一般普通晶闸的开通时间为50μs之内，所以触发脉冲的宽度一般可在100μs~1.5ms内调节，以达到可靠触发晶闸管的目的。这即是图4中的b脉冲。
实际电路中，会用到下图1中的3种类型的触发脉冲。


图4三种类型的触发脉冲
c脉冲是对b脉冲的“再加工处理”，利用高频振荡信号对b脉冲进行高频调制后，形成的调制脉冲，又称脉冲列信号，以降低触发功耗和减小直流脉冲信号对脉冲变压器形成的直流磁化效应。
三相交、直流调压电路，上述三种单（窄）脉冲方式，不能满足触发要求，需有宽脉冲或双触冲，来驱动晶闸管。
4、专用移相触发芯片
晶闸管交、直流调压电路在工业控制领域极为广泛的应用，促进了专用移相触发芯片的研制、开发和应用，国、内外一些专业厂家，除对晶闸器模块进行开发生产外，还相继研制和生产系列专用移相触发芯片。上世纪七十年代以前，移相触发电路多由分晶体管分立元件构成，电路所用元件数量多，工艺落后，维护工作量大。进入八、九十年代以后，集成电子器件逐步普及，电子控制电路的技术含量和工艺水平，上升到一个新的阶段。
KJ005晶闸管移相触发器，适用于双向晶闸管或反并联晶闸管线路的移相触发控制，单只芯片可完成单相交流调压，外围电路简单，仅须添加几只R、C元件，即能组成移相触发调压电路。虽为集成IC元件，其内部电路结构与图2-26的典型移相触发电路大致相同。下图2-31为其内部电路构成和外围元件连接电路，现将电路工作原理简述如下：


图5晶闸管移相触发器KJ005的电路结构和各脚工作波形


图6 晶闸管移相触发器KJ005电路构成和外接电路
15、16脚为同步电压输入端，输入信号为同步变压器二次绕组取得的30V正弦波交流电压，16脚同时是15V电源输入端。晶体三极管T1、T2和DW1~DW4桥式整流/稳压电路一起，组成同步信号检测电路，外部电阻R1和内部稳压器的作用，将输入正弦波变为梯形波，以增大移相控制范围，桥式整流的作用，在输入信号的正、负半波期间，使T1都能得到正向偏流而导通，驱动T2导通，使T3、T3、T5偏置电压为0而截止。当同步电压过零点T1、T2截止，T3、T4、T5经R2提供正向偏压而导通，T5的导通，形成对外接锯齿波形成电容C1的充电，使C1上充电电压达8V左右。同步过零结束后，T1、T2导通，T3、T4、T5又归于截止状态，C1上电压由T6恒流源电路放电，形成线性下降的锯齿波。RP1、R2、T7构成T6的偏置电路，锯齿波下降的斜率由5脚外接锯齿波斜率调整电位器RP1调节。T10为差分放大器T8、T9的恒流源电路（等效其发射极电阻），提升差分电路的性能（共模抑制比）。C1上形成的锯齿波电压送至T8的基极，T8、T9组成差分放大器，T9基极输出由6脚输入的移相比较电压（调压信号），差分放大器对两信号进行比较放大，经T11、T12放大器及10、13脚外接R3、C2微分电路，微分时间常数（输出脉冲宽度）由R3、C2的值决定。在移相比较电压和锯齿波产生的交相点区域内，T12导通，集电极变为低电平，微分电路在T12集电极矩形脉冲的下降沿，使10脚产生电平微分跳变，在T13集电极得到负向的移相脉冲，经T14、T15复合放大器进行功率放大后，在9脚输出触发脉冲，经脉冲变压器，引入到晶闸管的栅、阴极。
T4是失交保护输出管，当输入移相控制电压大于8.5V，与8V锯齿波失去交相点时，T4集电极输出的同步过零脉冲输出通过2脚与12脚的短接，保证了移相电压与锯齿波失交时，T12、T13、T14、T15在电压过零点，输出触发脉冲，晶闸管保持全导通（处于最大导通角）。
三相交、直流调压电路，需用到3块KJ005，要求各相输出取得较好的一致性，可以将3块KJ005的3脚相连，保证各电路的的锯齿波幅度一致。另外，也可以从3脚取出过零同步脉冲，用于其它用途。
触发中、小功率晶闸管元件时，芯片最大输出电流能力为200mA，此时可将5脚与7脚短接；当驱动大功率晶闸管时，可将5脚外接功率放大器的基极，将触发脉冲进行电流/功率放大，因而5脚又可作为扩流端。
对专用移相触发芯片的分析，在此仅举一例，本书后文各章节内容中，对专用移相芯片及专用控制板，配合实际电路，有更为详尽的分析。请参阅后文。
由航空航天部六九一厂生产的KJ系列和常州半导体厂生产的KC系列晶闸管触发芯片和组件，和西安广角电力电子开发部研制生产的TC系列晶闸管触发芯片和组件，是较有代表性的系列晶闸管专用移相触发芯片，单芯片可用于单相交、直流调压电路，还有与触发芯片配套使用的脉冲列调制芯片等。采用多芯片组合，则可构成多种形式的交、直流三相调压电路。芯片型号、功能等见下表：
表1-1 KJ系列晶闸管触发器与组件
序号 型号 组 件 名 称 引出脚 电源电压 电流电流 功 能
1 KJ001 晶闸管移相触发器 双列14，18 ±15V 15，10mA 单相三相半控桥移相触发
2 KJ004 晶闸管移相触发器 双列16 ±15V 15，10 mA 单三相全控桥双脉冲移相触发
3 KJ005 晶闸管移相触发器 双列16 ±15V 12 mA 双向/单向晶闸管双并联移相触发
4 KJ006 晶闸管移相触发器 双列16 12~14V 12 ma 同上，交流供电
5 KJ007 晶闸管过零触发器 双列14 12~14V 12 mA 用作交流无触点开关、恒温箱等
6 KJ008 晶闸管过零触发器 双列14 12~14V 12 mA 用作交流无触点开关、恒温箱等
7 KJ009 晶闸管过零触发器 双列16 ±15V 15，10 mA 单三相全控桥双脉冲移相触发
8 KJ041 六路双脉冲形成器 双列16 ±15V 20 mA 六路单脉冲经补脉冲成双脉冲
9 KJ042 脉冲列调制器 双列16 ±15V 20 mA 单三相全控、半控脉冲列调制
10 LZ210 脉宽调制器 双列8 15V 12 mA 使控制电压幅度变换成脉宽
11 KJZ1 直流电机调速组件 CX-Y-22单 AC2×18V 9 mA 4kW以下直流电机调压调速
12 KJZ2 晶闸管触发组件 CX-Y-22双 ±15V 2×85 mA 单相桥式全控变流器触发
13 KJZ2-1 单相调功组件 CX-Y-22单 AC2×18V 单相调功
14 KJZ3 三相半桥控制组件 CX-Y-22双 AC2×18V 三相桥式半控变流器触发
15 KJZ6 三相全桥控制组件 CX-Y-22双 AC2×18V 三相桥式全控变流器触发
16 KJZ6-3 三相过零触发组件 CX-Y-22双 AC2×18V 大功率恒温系统中晶闸管过零触发
17 KJZ6-4 通用控制组件 2×12，6，7 AC2×18V 三相通用晶闸管移相触发控制
18 KJZ6-5 三相触发控制组件 8，9，10，12 AC2×18V 感性负载大功率交流调压
19 KJZ12 晶闸管控制组件 CX-Y-22单 ±15V 100mA 大功率直流电机正、反转调速控制
20 KJT1 调节控制组件 CX-Y-22单 ±15V 30 mA 可完成双环比例积分调节功能
21 KTN4 逆变换相组件 CX-Y-22单 AC2×18V 用于中频设备配套的逆变换相
表1-2 KC列晶闸管触发器与组件
序号 型号 组 件 名 称 引出脚 电源电压 电流电流 功 能
1 KC01 晶闸管移相触发器 双列18 ±15V 15，10mA 单相三相半控桥移相触发
2 KC04 晶闸管移相触发器 双列16 ±15V 12，9 mA 单三相全控桥双脉冲移相触发
3 KC05 晶闸管移相触发器 双列16 ±15V 12 mA 双向/单向晶闸管双并联移相触发
4 KC06 晶闸管移相触发器 双列16 12~14V 12 ma 同上，交流供电
5 KC07 晶闸管过零触发器 双列14 12~14V 18 mA 用作交流无触点开关、恒温箱等
6 KC08 晶闸管过零触发器 双列14 12~14V 12 mA 用作交流无触点开关、恒温箱等
7 KC09 晶闸管过零触发器 双列16 ±15V 15，8 mA 单三相全控桥双脉冲移相触发
8 KC10 晶闸管移相触发器 双列18 ±15V 15 mA 单三相半控桥单脉冲移相触发
9 KC11 晶闸管移相触发器 双列14 ±15V 15 mA 单路脉冲移相触发
10 KC41 六路双脉冲形成器 双列16 +15V 20 mA 六路单脉冲经补脉冲成双脉冲
11 KC42 脉冲列调制器 双列14 +15V 20 mA 单三相全控、半控脉冲列调制
12 KCZ1 直流电机控制组件 专用16脚 AC220V 200V小功率直流电机调速
13 KCZ2 二脉冲触发组件 CX-Y-22单 ±15V 25，10mA 单相桥式全控变流器触发
14 KCZ3 三脉冲触发组件 CX-Y-15双 ±15V 50，10mA 三相桥式半控变流器触发
16 KCZ5 单相交流调压组件 专用2×4 AC220V 单相电机调压、调光等
17 KCZ6 六触冲触发组件 CX-Y-22双 AC2×18V 三相桥式全控变流器触发
18 KC785 晶闸管移相触发器 双列16 +15V 10mA 单三相全控桥双脉冲移相触发
表1-3 TC触发器及组件
序号 型号 组 件 名 称 引出脚 功 能
1 TC782A 单相移相触发器 双列14 用于双向晶闸管或两只反并联单向晶闸管的单相调压
2 TC783A 三相相序检测电路 双列14 用于检测三相相序和有无缺相，输出故障信号，并做出相应指示
3 TC787AP 三相移相触发芯片 双列18 用于三相晶闸管触发电路和三相晶体三极管脉宽调制电路
4 TC782DS 三相移相触发芯片 双列18 TC787AP的改进版，适用三相交、直流调压电路
5 TC790A 数字相位触发芯片 双列18 适用三相交、直流调压。数字分频，工作可靠性高。
6 TC797A 数字相位触发芯片 双列14 适用三相交、直流调压。数字分频，工作可靠性高。
7 TC20 单相可控闭环触发板 用于单相交、直流调压，单闭环比例积分
8 TCZ21 单相可控开环触发板 同上
9 TCZ22 单相可控闭环触发板 同上
10 TCZ6.1板 三相可控开环触发板 用于晶闸管三相半控/全控整流电路的触发控制
11 TCZ6.2板 三相可控闭环触发板 用于晶闸管三相半控/全控整流电路或交流调压
12 TCZ7.1板 三相可控开环触发板 用于晶闸管三相全控或半控直流调压及三相交流调压
13 TCZ7.2板 三相可控闭环触发板 用于晶闸管交、直流调压，带相序识别和缺相保护
14 TCZ8.1板 三相闭环控制板 用于晶闸管交、直流调压，单同步，数字化，带相序选择
15 TCZ8.2板 三相闭环控制板 同上
16 TCZ8.3板 晶闸管调功控制板 采有数字技术，用于大功率温控系统的晶闸管触发
17 TCZ8.5板 三相软起动控制板 采用数字技术，三相交流软起动反并联晶闸管触发
18 TCZ8.12板 十二相全控闭环板 单同步数字化，软起动，带相序选择和过压保护
19 TCZ9.0板 三相半控开环触发板 数字技术，用于晶闸管三相半控桥直流调压
20 TCZ9.2板 三相全控闭环触发板 数字技术，用于交、直流调压电路
表1-3 TC触发器及组件，系西安广角电力电子开发部在上世纪九十年代至2000年前后，研制开发的新型触发芯片和相关组件（线路板）开创了单芯片完成三相移相触发任务的新纪元，数字相位触发芯片的出现，更表征着移相触发由模拟控制向数字控制领域的进步。芯片的功能更为先进和强大，集成度更高。三家厂商生产芯片的同时，还组装各类控制板，方便用户选用，使组装交、流调压系统的任务变得简单。上表中的单相调压芯片，用3片或多片，配合其它芯片（如双脉冲形成器），均可以构成三相交、直流调压系统。
尽管有这这么多的专用移相触发芯片和成品晶闸管调压板，但利用模拟或数字电路，另行设计制作移相触电电路的个人或厂家还大有人在，随着微电子技术的成熟，用微控制器（单片机）开发移相触发板（或产品）企事业单位也比较广泛。像一些变频器生产厂商，往往又兼营制造交流电动机的软起动器等产品。迄今为止，晶闸管移相触发电路类产品，还存在着由分立元件（晶体三极管等）、模拟或数字集成电路、微控制器组成的三类产品，共存共荣的局面，企业和个人均广泛参与到此类产品的开发与制作中。