1、單正激驅動變壓器的磁通復位問題分析張 超1，徐向華2 摘要：本文對采用變壓器隔離的單端正激式晶閘管驅動電路進行了分析研究，主要討論了其傳遞寬脈沖觸發存在的問題，采用高頻調制脈沖列觸發帶來的優點，以及高頻調制脈沖列觸發所涉及的磁通復位、波形畸變及有關參數設計問題。磁通復位原理的分析，并不只局限在本文所研究內容中，對于開關電源設計也具有指導和借鑒意義。關鍵字：單端正激式 高頻調制脈沖 磁通復位 參數設計key words: single ended forward, high frequency modulation pulse, magnetic flux reset, parameter de

2、sign1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1,2。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3。控制電路和主電路之間的隔離，通常既可以

3、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4-6。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。 2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

4、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

5、響scr工作的效果。 圖1 常見的晶閘管觸發驅動電路v1v2.gk 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。 3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u1e2，勵磁電流i0將按照式（1） ldi0/dt=u1（1） /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

6、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。f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=n2df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 為了改變這種情況，使副邊輸出觸發脈沖的持續時間符合輸入控制信號的要求，實際當中往往采用對輸入寬脈沖信號進行高頻調制的脈沖列觸發方式，如圖2（b）所示。調制頻率一般在數khz至數10khz范圍，這一方面可以減小脈沖變壓器鐵芯的體積，另一方面也有利于減小觸發驅動功率和提高觸發的可靠性。圖中輸

7、入脈沖控制信號ub1的持續作用時間與圖（a）中相同，只是按一定占空比經過了高頻調制。在每一個窄脈沖高電平期間，v2管導通，勵磁電流的上升率為正，i0近直線上升。在v2管關斷時，由于原邊反電勢作用使u1為負壓，由vd1和r3支路為i0提供續流通路，同時，由式（1）得知其變化率為負值，i0開始下降，其下降速度決定于負壓的大小。該負壓由i0在r3上的壓降提供（也可以用齊納穩壓二極管來代替r3，與vd1背靠背串聯）。圖2采用脈沖變壓器隔離的兩種晶閘管觸發驅動控制方式：（a）寬脈沖觸發；（b）正常脈沖列觸發； （c）磁通不能復位對脈沖列觸發的影響 4磁通復位及波形畸變問題 就會越積累越大，逐漸飽和，副邊

8、電壓u2及scr觸發脈沖列的幅度會逐漸變小，甚至衰減到零，如圖2（c）所示。可見r3的取值應該合理地選擇，取值過大對磁通加快復位有利，但對v2管的耐壓要求提高。實際上vd1和r3就是為了v1、v2管由導通變為截止時，脈沖變壓器tm釋放其儲存能量而設置的。f不能復位到零，經過若干個窄脈沖作用之后，f減小到零，通常稱為磁通復位。圖2（b）所示，為v2管關斷時的u1負值與其導通時的u1正值相等，均等于電源電壓e2時對應的波形（此時v2管關斷時的集電極電位應比電源電壓e2高出一倍），要求此時輸入脈沖列的占空比最大不能超過50%。圖中ugk可以理解為u2經過整流之后的波形。若r3取值較小，u1負值較小，對降低v2管所承受的集電極電壓有利，但會使i0的下降速度很慢。若脈沖列的占空比較大，在下一個窄脈沖到來時，可能i0并不能下降到零，這樣就會導致鐵芯磁通f若r3取值較大，反電勢作用產生的u1負值也較大，可以使i0的下降速度較快。其下降速度應保證在下一個窄脈沖到來之前，i0下降到零，從而使鐵芯磁通 5.結束語 本文對采用變壓器隔離的單端正激式晶閘管驅動電路進行了分析研究，主要討論了其傳遞寬脈沖觸發存在的問題，采用高頻調制脈沖列觸發帶來的優點，高頻調制脈沖列