基于單正激驅動變壓器的磁通復位問題的研究

引言

晶閘管觸發驅動電路的作用是產生符合要求的門極觸發脈沖，保證晶閘管在需要的時刻由阻斷轉為導通。廣義上講，晶閘管觸發電路通常包括驅動電路以及對其觸發時刻進行控制的相位控制電路。本文集中研究觸發脈沖的放大和輸出驅動環節，有關相位控制電路在有關教科書中已有討論。現今晶閘管主要應用于交流-直流相控整流和交流-交流相控調壓等，適用于這些應用的各種驅動觸發器都已集成化、系列化。例如目前國內生產的KJ系列和KC系列的晶閘管驅動 (觸發)器，都可供研制選用。

為保證晶閘管可靠觸發導通，門極的脈沖電流必須有足夠大的幅值和持續時間，以及盡可能短的電流上升時間。控制電路和主電路之間的隔離，通常既可以通過光耦亦可以采用脈沖變壓器來實現，這兩種方式各有優缺點：光電耦合隔離時兩側的電磁干擾小，但光耦器件需要承受主電路高壓，有時還需要在SCR側有一個電源和一個脈沖放大器;采用脈沖變壓器隔離的觸發脈沖放大和驅動環節，優點是毋需另加驅動電源，多年來一直獲得廣泛應用。然而，其脈沖變壓器需要采取措施防止磁芯飽和。其電路拓撲結構雖然簡單，但是所涉及的電磁作用原理及磁通復位和參數設計問題，還是比較復雜的，本文就此類問題以及相關物理過程進行研究分析。

觸發驅動電路結構和原理

圖1給出了基于脈沖變壓器和三極管放大器的一種常見的晶閘管觸發驅動電路，該驅動電路由V1、V2構成的脈沖放大環節和脈沖變壓器TM及附屬電路構成的脈沖輸出環節兩部分組成。當開關管V1、V2導通時，電源電壓E2幾乎全部施加在脈沖變壓器的原邊繞組上(R2為限流電阻，一般取值很小)，通過脈沖變壓器磁耦合作用，在副邊產生電壓上正下負，經VD2和R4(限流)作用于晶閘管的門極和陰極之間，輸出觸發脈沖，提供觸發電流。當V2關斷時，由于TM 原邊電流的急劇減小，其di/dt0,由楞次定律決定其原邊產生下正上負的自感反電勢，致使VD1導通，對原邊電流形成續流通路。同時，在副邊也產生下正上負的電壓，由于VD2反偏，所以此時TM副邊形不成電流通路。VD3的存在，使此時輸出給門極G與陰極K之間的電壓近似為零。VD3還具有防止負脈沖和其它干擾信號影響SCR工作的效果。

圖1 常見的晶閘管觸發驅動電路

VD1和R3的作用十分重要，若該支路斷開，在V2關斷時會在TM原邊形成很高的自感反電勢，導致V2過壓擊穿。VD1和R3續流支路，可以使V2在關斷瞬間的集電極電位大為降低，并且R3越小，此電壓越低。

寬脈沖觸發問題

通常采用脈沖變壓器隔離的觸發驅動電路，是難以傳遞寬觸發脈沖的。比如，圖1驅動電路若在其V1管基極作用以如圖2(a)所示的寬脈沖信號uB1,在V2管導通期間，脈沖變壓器原邊電壓u1≈E2,勵磁電流i0將按照式(1) Ldi0/dt=u1 (1)

所決定的電流變化率增加(L為變壓器勵磁電感)，由于V2管持續導通時間過長，i0會變得很大，從而將導致脈沖變壓器的鐵芯磁通飽和，除非鐵芯體積足夠大。在磁通飽和的情況下，根據法拉第電磁感應定律u2=N2d/dt,副邊的感應電壓u2將難以達到寬脈沖傳輸的要求。磁芯的截面積越小，越容易形成磁通飽和，則副邊所得到的u2電壓脈沖越窄，遠遠達不到輸入控制信號uB1脈沖的寬度，如圖2(a)所示。