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三相桥式全控整流电路的研究及触发电路的设计
徐小龙，张建文 **
作者简介：徐小龙, （1987-），男，研究生，主要研究方向：高电压及故障诊断 通信联系人：张建文, （1968-），男，教授，主要研究方向：电气设备状态监测与故障诊断技术. E-mail: zhang680420@sohu.com （中国矿业大学信息与电气工程学院,徐州 221008）
5 摘要：对于整流电路的研究，主要体现在触发电路的研究上。本文在深入理解三相桥式整流电路工作原理的基础上，设计了一种新式的三相桥式整流电路的触发电路，更好的实现了整流的功能。触发电路设计方面分析了 KC04,KC41,KC42,CD4066,CD4069 等集成电路构成的各功能模块的工作原理，其中着重分析了 KC04 实现宽、窄脉冲两种工作模式的原理及 10 KC41 和 KC42 之间的关系。
关键词：整流电路；触发电路；移相触发脉冲 中图分类号：TP29
Design Of Three–Phase Rectification Circuits And Trigger 15 Circuit XU Xiaolong, ZHANG Jianwen (School of Information and Electrial Engineering,China University of Mining and Technology, XuZhou 221008) Abstract:
For the research of the rectifier circuit, mainly embodies in the research of trigger 20 circuit. Based on understanding the basis of the principle, the paper design a new-style trigger circuit of the three-phase bridge rectifier circuit, the better to achieve rectification function.In design of trigger circuit, analyzes the working principle of each functional module which consist by KC04, KC41, KC42, CD4066, CD4069 and other integrated circuits.And it emphatically analyzes the KC04 realization of wide, narrow pulse principle of two modes and the relationship 25 between KC41 and KC42.
Key words: Rectifier circuit; Trigger circuit; Change Phase shifting triggering pulse
0 引言 三相可控整流电路中应用最多的是三相桥式全控整流电路，其主电路中晶闸管装置的工 30 作状态与门极触发电路密切相关，这就要求触发电路中的触发脉冲应有足够的功率，且触发脉冲的相位应能在规定范围内移动，另外触发脉冲与晶闸管主电路电源必须同步，而且要有固定的相位关系，使每一周期都能在同样的相位上触发。如何设计性能优良的触发电路，以产生出更加精密的波形，从而满足各种电路对整流电路的要求迫在眉睫，而以往的晶闸管触发电路一般都只能输出窄脉冲，且窄脉冲没有经过脉冲调制，而本文利用集成电路设计的可 35 控硅移相触发电路，通过 KC42 对宽窄脉冲进行高频调制，可输出宽窄脉冲列，该电路克服了双基极管移相触发电路工作电压高、适应面窄、热损耗大的缺陷，且电路结构简单，操作方便、安全可靠，从而给生产过程的控制精确度和电路的设计带来方便。
1 三相桥式可控整流 电路原理 三相桥式可控整流电路是电力电子技术中最为重要，也是应用得最为广泛的电路，不仅 40
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应用于一般工业领域，也广泛应用于交通运输、电力系统、能源系统及其他领域 [1] 。其主电路图如下：
VT 1 1VT 6 6VT 1 1VT 2 2VT 3 3VT 2 2VT 3 3VT 4 4VT 5 5VT 6 6VT 5 5VT 4 4 图 1
三相桥式全控整流电路
图 2
α=0°时三相桥式全控整流电路触发方式示意图 Fig. 1
three-phase bridge rectifier circuit
Fig. 2
triggered mode diagram
45 三相桥式全控整流电路通过对两组桥壁晶闸管元件的有序控制，可构成电源系统对负载供电的 6 条整流回路。每一整流回路中含有 2 只晶闸管元件，一只为共阴极组的某相元件；另一只则为共阳极组的另一相元件，两个元件自然换相点相位相差为π/3，各整流回路的交流 电 源 电 压 为 两 元 件 所 在 相 同 的 线 电 压 。
整 流 回 路 切 换 工 作 的 顺 序 可 表 示 为VT 1 -VT 2- VT 3 -VT 4 -VT 5 -VT 6 -VT 1 ，为保证在整流电路任何工作状态下都能可靠触发工作，除 50 顺序触发各晶闸管外，还必须考虑桥式全控电路的特点，使整流回路中两个自然换相点不同的元件同时得到脉冲，形成电流通路。故常采用宽脉冲或双窄脉冲方式实现。当采用宽脉冲触发方式时，触发脉冲的宽度τ>60°，一般取为 80°~120°。因为相邻编号两元件的自然换相点的时间间隔为 60°，所以触发某一号元件的同时，前一号元件的触发脉冲尚未结束，就保证了各整流回路中两个晶闸管元件同时具有触发脉冲，并有足够的脉冲宽度。当采用双窄脉 55 冲触发方式时，顺序触发某一元件的同时，为其前一号元件再补发一个触发脉冲，以保证整流回路两元件同时具有触发脉冲。图 2 即为三相桥式整流电路触发方式示意图 [2] 。
2 触发电路基本构成 从而本文设计的触发电路主要包括脉冲发生电路和脉冲放大电路。其基本结构框图如图3 所示。电路工作时，同步变压器对电网电压进行采样并降压，之后输入 KC04 用来产生单 60 脉冲，通过调节分压电阻可以实现对单脉冲占空比的调节，通过模拟开关 4066 来实现对KC04 宽窄脉冲模式的切换，使 KC04 输出宽脉冲或者窄脉冲，KC42 则产生高频调制波对KC04 输出的宽脉冲或窄脉冲进行高频调制，使其输出宽窄脉冲列 [3] ，当 KC04 处于宽脉冲方式时，KC04 输出直接加到驱动电路，而 KC04 处于窄脉冲方式时单脉冲(3 片 KC04 产生6 路)输入至 KC41 合成双脉冲，每组双脉冲相位相差 60º，用于触发整流桥电路，最终经过 65 脉冲变压器驱动电路驱动，用于控制晶闸管。触发电路基本结构框图如下：
图 3
触发电路结构框图
直流电源
同步电 源 输 入
KC04产生单脉冲冲4066 模 拟开 关实 现宽 窄脉 冲切换 KC41 产生双窄脉冲 脉冲放大
驱动 SCR KC42产生脉冲调制列
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Fig. 3
trigger circuit block diagram 3 脉冲发生电路的设计 70 下图为同步信号为锯齿波的脉冲发生电路，电路结包括三个基本环节：脉冲的形成与放大、同步信号波的形成和脉冲移相、同步环节[4] 。此外，还有强触发和双窄脉冲形成环节。
R R 1 1VSRP 2 2R R 3 3V V 1 1I I 1 1C CVD 1 1VD 2 2R R 4 4C C 1 1R R 2 2V V 2 2R R 5 5V V 3 3R R 6 6R R 8 8R R 7 7V V 4 4R R 17C C 3 3R R 10VD 10VD 5 5V V6 6V V 5 5VD 4 4A AR R 9 9C CR R11R R 12R R 13VD 6 6V V 7 7V V 8 8C C 5 5R R 16R R 14VD 7 7B BTPVD 15VD 8 8VD 9C C 7 7 C C 6 6R 15+ +220V V 36V V+ +T SR R Q QU U TS+15V+15VU U P PRP 1 1U U CO-15V X Y Y -15V4 4C C 2 2R R 16VD 11 - - VD 14 图 4
脉冲发生电路原理图 Fig. 4
Pulse generating circuit schematic 75 A
脉冲形成环节(V 4 、V 5
—— 脉冲形成，V 7 、V 8
—— 脉冲放大) 控制电压 u co 加在 V 4 基极上。u co =0 时，V 4 截止。V 5 饱和导通。V 7 、V 8 处于截止状态，无脉冲输出。电容 C 3 充电，充满后电容两端电压接近 2E 1 (30V)时，V4 导通，A 点电位由+E 1 (+15V) 下降到 1.0V 左右，V5 基极电位下降约-2E 1 (-30V)，V 5 立即截止。V 5 集电极电压由-E 1 (-15V)上升为+2.1V，V 7 、V 8 导通，输出触发脉冲。电容 C 3 放电和反向充电，使 V5 基极电位上升， 80 直到 u b5 >-E 1 (-15V)，V 5 又重新导通。使 V 7 、V 8 截止，输出脉冲终止。脉冲前沿由 V 4 导通时刻确定，脉冲宽度与反向充电回路时间常数 R 11 C 3 有关。电路的触发脉冲由脉冲变压器 TP 二次侧输出，其一次绕组接在 V 8 集电极电路中。
B 锯齿波的形成和脉冲移相环节 锯齿波电压形成的方案较多，如采用自举式电路、恒流源电路等。锯齿波电路由 V 1 、V 2 、 85 V 3 和 C 2 等元件组成，V 1 、V S 、RP 2 和 R 3 为一恒流源电路。锯齿波是由开关 V 2 管来控制的。
V 2 截止时，恒流源电流 I 1c 对电容 C 2 充电，调节 RP 2 ，即改变 C 2 的恒定充电电流 I 1c ，可见 RP 2 是用来调节锯齿波斜率的。V 2 导通时，因 R 4 很小故 C 2 迅速放电，u b3 电位迅速降到零伏
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附近。V 2 周期性地通断，u b3 便形成一锯齿波，同样 u e3 也是一个锯齿波。射极跟随器 V 3 的作用是减小控制回路电流对锯齿波电压 u b3 的影响。
90 V 4 基极电位由锯齿波电压、控制电压 u co 、直流偏移电压 u p 三者作用的叠加所定。如果u co =0，u p 为负值时，b 4 点的波形由 u h +u p 确定。当 u co 为正值时，b 4 点的波形由 u h +u p +u co 确定。
M 点是 V 4 由截止到导通的转折点，也就是脉冲的前沿。加 u p 的目的是为了确定控制电压u co =0 时脉冲的初始相位。
在三相全控桥电路中，接感性负载电流连续时，脉冲初始相位应定在 a=90°；如果是 95 可逆系统，需要在整流和逆变状态下工作，要求脉冲的移相范围理论上为 180°（由于考虑a min 和 β min ，实际一般为 120°），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°，例如 240°，此时，令 u co =0，调节 u p 的大小使产生脉冲的 M 点移至锯齿波 240°的中央（120°处），相应于 a=90°的位置。如 u co 为正值，M 点就向前移，控制角 a<90°，晶闸管电路处于整流工作状态。如 u co 为负值，M 点就向后移，控制角 a>90°，晶闸管电路 100 处于逆变状态。
C 同步环节 同步指要求触发脉冲的频率与主电路电源的频率相同且相位关系确定。
V 2 开关的频率就是锯齿波的频率，由同步变压器所接的交流电压决定。V 2 由导通变截止期间产生锯齿波，锯齿波起点基本就是同步电压由正变负的过零点。V 2 截止状态持续的时间 105 就是锯齿波的宽度，其大小取决于充电时间常数 R 1 C 1 。
D 双窄脉冲形成环节 内双脉冲电路由 V 5 、V 6 构成“或”门。当 V 5 、V 6 都导通时，V 7 、V 8 都截止，没有脉冲输出，只要 V 5 、V 6 有一个截止，都会使 V 7 、V 8 导通，有脉冲输出。第一个脉冲由本相触发单元的 u co 对应的控制角 a 产生。隔 60°的第二个脉冲是由滞后 60°相位的后一相触发单元产生 110 （通过 V 6 ）。
4 脉冲 放大 电路的设计 驱动电路是主电路与控制电路之间的接口。它能使电力电子器件工作在较理想的开关状态，缩短开关时间，减小开关损耗。对装置的运行效率、可靠性和安全性都有重要的意义。一些保护措施也往往设在驱动电路中，或通过驱动电路实现。驱动电路的基本任务是按控制 115 目标的要求施加开通或关断的信号，对全控型器件则既要提供开通控制信号，又要提供关断控制信号。
驱动电路还要提供控制电路与主电路之间的电气隔离环节，磁隔离的元件通常是脉冲变压器。本次设计采用的是基于脉冲变压器的脉冲放大驱动电路，其基本结构如下图 5 所示 +15VGK3DK4B 120 图 5
脉冲放大原理图 Fig. 5
Pulse amplification schematic
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采用脉冲变压器放大电路的原理为：脉冲由 3DK4B 的基极进入，触发 3DK4B 导通，脉冲变压器不断通断，变压器中便产生磁通，脉冲进入 3DK4B 放大，跟随脉冲变压器进入副边，然后输出，从而触发晶闸管。
125 5 触发 电路的 硬件 设计 12345678 910111213141516U1KC04A1234567 891011121314U5MC14066BCP1234567 891011121314U8KC042R1 10kR2 10kR915kC10.022uC240.47uAzR2768kR305.1kR315.1kC270.047uR3615kC41uR511k-VCCAED14007R710kR5420kC306800pC316800pVCCVCCVCCR4830kNET1NET4UkUp6.8K6.8KGND-15VAt12345678 910111213141516U2KC04A12345678 910111213141516U3KC04A12345678 910111213141516U4KC0411234567 891011121314U6MC14066BCP1234567 891011121314U7MC14066BCP1234567 891011121314U9HD14069UBPR3 10kR4 10kR10 15kC20.022uR5 10kR6 10kR11 15kC230.022uC250.47uC260.47uCzR2868kR325.1kR335.1kC280.047uR3715kCT51uR3815kCT61uR521kR531kCE BER2968kR345.1kR355.1kC290.047uVCCVCCVCCR4930kR5030kNET2NET3 NET5NET6VCCK1K2K3K4K5K6BzVCCK10K11K12K13K14K15D5CtBt+15V 图 6
触发电路的硬件图 Fig. 6
hardware chart of Trigger Circuit 触发电路的硬件图如上所示，其中，KC04 与分立元件的锯齿波移相触发电路类似，可 130 分为同步检测、锯齿波形成、移相、脉冲形成、脉冲分选及脉冲放大几个环节。其中 11 与
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12 脚引出接电平的高低决定了脉冲形成环节可以形成宽脉冲和窄脉冲。V 1 ～V 4 等组成同步环节。同步电压 u s 经限流电阻 R 20 加到 V 1 和 V 2 基极。在 u s 的正半周，V 1 导通，电流从+15V-R 20 -VD 1 -V 1 -地。在 u s 负半周。V 2 ,V 3 导通，电流从+15V-R 3 -VD 2 -V 3 -R 5 -R 21 -15V，因此，在正、负半周期间，V 4 基本上处于截止状态。只有在同步电压 u s <0.7V 时。V 1 ～V 3 截止， 135 V 4 从电源+15V 经 R 3 和 R 4 取得基极电流才能导通。
电容 C 1 接在 V 5 的基极和集电极之间，组成电容负反馈的锯齿波发生器。在 V 4 导通时，C 1 经 V 4 ，VD 3 迅速放电。当 V 4 截止时。电流经+15V-R 6 -C 1 -R 22 -RP 1 -15V 对 C 1 充电。在 4端形成线性增长的锯齿波，锯齿波的斜率取决于 R 22 、RP 1 的充电电流和电容 C 1 大小。根据V 4 导通的情况可知，在同步电压正、负半周均有相同的锯齿波产生，并且两者有固定的相 140 位关系，V 6 及外接元件组成了移相环节。锯齿波电压 U C5 、偏移电压 U b 、移相控制电压 U c分别经 R 24 ，R 25 ，R 26 ，在 V 6 基极上叠加。当 U b6 >+0.7V 时，V 6 导通。设 U C6 ，U C 为定值，改变 U C ，则改变了 V 6 导通的时刻，从而调节了脉冲的相位。V 7 等组成了脉冲形成环节。其中 K 1 的开通与关断决定了脉冲形成环节可以形成宽脉冲和窄脉冲 [5] 。
当开关 K 1 闭合时，平时 V 7 经电阻 R 25 获得基极电流而导通，电容 C 2 由电源+15V 经电 145 阻 R 7 ，VD 5 ，V 7 ，基射结充电。当 V 6 由截止转为导通时，C 2 所充电压通过 V 6 成为 V 7 基极反向偏压，使 V 7 截止。此后 C 2 经+15V-R 25 -V 6 -地放电并反向充电，当其充电电压以 U C2 (即12 脚)>=+1.4V 时，V 7 又恢复导通。这样，在 V 7 集电极就得到固定宽度的移相脉冲，宽度取决于充电时间常数 R 25 C 2 的大小 [6] 。
当开关 K 1 关断时，即 R 25 一端不接+15V 时，C 2 不会放电，其左正右负的电压会继续通 150 过 V 6 成为 V 7 基极反向偏压，维持 V 7 截止。直到 V 6 由导通转为截止时，V 7 经电阻 R 7 ，VD 5 ，V 7 获得基极电流而再次导通，由此可见宽脉冲后沿由锯齿波后沿决定。
KC41 电路是脉冲逻辑电路，当把移相触发器输出的触发脉冲输入到 KC41 电路的“1”～“6”端时，由输入二极管完成了补脉冲，再由 T 1 ～T 6 进行电流放大分六路输出。补脉冲按2→1，3→2，4→3，5→4，6→5，1→6 顺序排列组合。T 7 是电子开关，当控制“7”端接逻辑 155 “0”电平时 T 7 截止，各路有输出触发脉冲。当控制“7”端接逻辑“1”电平（+15V）时，T 7 导通，各路无输出。
KC42 脉冲列调制形成器主要用于作可控硅三相桥式全控整流电路的脉冲列调制源。在触发电路中，来自三块触发器（KC04）的“13”端的触发脉冲信号分别送入 KC42 电路的“2”，“4”，“12”端，由 T 1 、T 2 、T 3 进行节点逻辑或组合。T 5 、T 6 、T 8 组成一个环形振荡器，由 T 4 160 的集电极输出来控制环形振荡器的起振和停振，当没有输入脉冲时，T 4 导通振荡器停振。反之 T 4 截止振荡器起振 [19] 。T 6 集电极输出是一系列来自三相六个触发脉冲的前沿同步间隙60 . °的脉冲。经 T 7 倒相放大分别输入三块触发器（KC04）的 14 端。此时从 KC04 的 1 和 15端输出的是调制后的脉冲列触发脉冲。
在触发电路中，4069 使用了其中的非门 F3 和 F4（只是用一个也可），具体原理如下：
165 当外接高电平时，9 脚输出高电平，控制 4066 的 5 和 6 为高电平，从而 4066 的 3 和 4 接通，8 和 9 接通，3 和 9 有脉冲输出。4066 的 12 和 13 为低电平，于是 1 和 2 断开，10 和 11 断开，KC41 的 7 脚为高电平，因为 7 脚接低电平时把窄脉冲变成双窄脉冲，高电平时封锁，所以在其输出端无波形输出。而 4066 的 10 和 11 断开，使 KC04 的微分阻容端产生宽脉冲列，进而送到放大电路中。当外接低电平时，9 脚输出低电平，控制 4066 的 5 和 6 为低电 170 平，从而 4066 的 3 和 4 断开，8 和 9 断开，3 和 9 无脉冲输出。4066 的 12 和 13 为高电平，于是 1 和 2 接通，10 和 11 接通，KC41 的 7 脚为低电平，而 4066 的 10 和 11 接通，使 KC04
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的微分阻容端产生窄脉冲，进而送到 KC41 中。因为 7 脚接低电平时把窄脉冲变成双窄脉冲，所以在其输出端输出双窄脉冲列。
6 结论 175 本文利用集成电路设计的可控硅移相触发电路，具备了双基极管移相触发电路所没有的优点，可输出宽窄脉冲列，并通过 KC42 对宽窄脉冲进行高频调制，减小了脉冲变压器的体积和能耗。该触发电路工作电压低、适应面宽、热损耗小、电路体积小、移相范围宽、灵敏度高，不仅可作模块触发电路，更重要的是它还可与不同规格型号的单个可控硅相配套，可以作晶闸管的通用控制电路，更好的实现了整流的功能。
180 [ 参考文献] (References)[1] 钟秉翔，池彬．虚拟仪器技术在电磁环境测试系统中的应用[J]．重庆大学学报：自然科学版，2003，26(2)：156-158 [2] 孙树朴.电力电子技术[M]. 徐州：中国矿业大学出版社，2000，5(2)：102-104 [3] 凌志斌，邓超平．单相任意波形系统中功率因数定义的探讨[J]．中国电机工程学报，2003，23(9)：39-43 185 [4] Talib S.A.,BashiS.M.,Maiilah N.F., et al. Simulation and analysis of power converter harmonics.Conference on Research and Development Proceedings, Shah Alam,Malaysia,2001:213-216 [5] Seguier G..Power Electronic Converters AC/DC Conversion [M]. New York:McGrawHill,1986:476 [6] Kamath G.R.,Benson D.,Wood R.,et al.A Novel Based on Autotransformer 18-pulse Rectifier Circuit[A]. IEEE APEC’02[C],2002:795-801 190