移相触发电路的结构与信号形成机理及晶闸管保护电路

对晶闸管的开通控制，一般采用触发方式。这种控制方式因晶闸管的结构工艺所决定，使其开通只需提供一个“瞬态信号”就可以了，内部电路的强烈正反馈作用，能将导通状态“维持住”，施加“常态控制信号”是不必要的，甚至产生有害作用，如增加无谓的功率消耗，缩短器件使用寿命等。

以触发脉冲的工作方式来分，可分为移相触发和过零触发两种方式，对负载电路而言，前者为调压，后者为调功，本章内容仅涉及移相触发电路。

（1）移相触发电路的基本结构

如果采用分立式硬件电路（如采用IC器件、R、C元件等构成的电子控制电路）来完成生成晶闸管触发脉冲的任务，一般电路具有图5-8所列的几个电路环节。

图5-8 移相触发电路的基本结构

移相触发电路有4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他元件，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；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；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；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。

如果采用MCU（单片机）系统来生成移相触发脉冲，则实际电路就要简洁很多，只需采样电网同步信号，由MCU采用“软件方法”经计算生成移相触发脉冲信号，再经后级功放电路，驱动晶闸管器件。

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，请参阅本章后文的实际电路。

（2）移相触发脉冲信号的类型

一般触发电路的输出脉冲有3种类型（见图5-9）。

1）尖脉冲。脉冲宽度窄，出现的时刻短，触发可靠性不高，仅用于电阻负载或小功率晶闸管的触发。

2）矩形脉冲。根据晶闸管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5-9b所示脉冲。

3）“开槽”的矩形脉冲脉冲。是对图5-9b脉冲的“再加工处理”，利用高频振荡信号对图5-9b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。

图5-9 3种类型的触发脉冲

实际电路中，图5-9b、c所示类型的脉冲信号得到了广泛应用。

（3）三相交流调压主电路的典型电路结构和负载电路的连接形式

图5-10所示电路为三相交流调压的典型电路，采用6只/3组反并联晶闸管或3块双管晶闸管模块构成，是广为采用的一种电路形式。为方便分析，将L1、L2、L3供电端标注为A、B、C，以显示三相供电的相序连接。将输出端标注为U、V、W，可能与电阻性负载连接，也可能与电感性负载连接。三相调压的负载电路为均衡负载，特分为RL1、RL2、RL3三部分。

在电源相序如图5-10所示进线端标注相对应时，移相触发电路给出的触发脉冲的顺序，或者说是晶闸管的导通顺序为：VT1→VT2→VT3→VT4→VT5→VT6，这也正是主电路中晶闸管为何要如此标注序号的原因。

图5-10 三相交流调压电路的主电路及负载电路形式

在负载电路为角形连接情况下，RL1～RL3负载电路上能得到0～380V的可调交流电压，以A相正半波电流通路为例，电网处于A正、C负时，应同时触发晶闸管VT1、VT2，使之在同一时间导通，以形成A→VT1→RL1→VT2→C的电流通路；同理，当C正、B负时，应同时触发晶闸管VT5、VT6导通，以形成C→VT5→RL3→VT6的电流通路。移相触发电路的任务，必须保障2只晶闸管的同时导通，以形成负载电路的电流通路。

下面以图5-10的典型电路为例，说明移相触发脉冲的形成机理

（4）单脉冲、宽脉冲和双触冲三种移相触发脉冲的形成机理

图5-11的波形图中，三相电源电压依正弦规律变化，一个周期的变化电角度为360°，三相电源电压的频率与电压最大值都是相同的，但其相位互差120°。三相电压依次达到最大值的次序，称为相序，顺相序为A→B→C，逆相序时为A→C→B。一个周期内出现6个自然电压过零点（图中a～f点），一个周期内产生6个相对于电压过零点的移相触发脉冲，相邻脉冲的相位差，为60°。同一相的正、负半波的触发脉冲间隔180°

“截取”A相正半波时段，比较一下三相交流调压电路中使用单（窄）脉冲、宽脉冲和双脉冲进行触发所得到的结果。此处的单脉冲指宽度小于60°的窄脉冲信号。宽脉冲指宽度大于60°小于120°或大于60°小于150°的宽脉冲，负载电路的性质不同，对触发脉冲的宽度要求有所不同。双脉冲指脉冲宽度小于60°的两个窄脉冲。

图5-11 三相交流调压电路的单脉冲触发示意图

1）单脉冲触发方式。

从图5-12中可以看出，对三相均衡负载（无中性点N线系统）来说，每一相必须与另两相构成电流回路。例如当A相电源端极性为正、C相电源端为负，晶闸管VT1、VT2应该同时接受触发信号而导通，形成由A→RL1→RL3→VT2→C相的电流通路。单脉冲触发是无法满足这个要求的。假定A相正半波触发信号是在t₁时刻给出，相对应C相负半波触发信号在t₂时刻给出。当A相处于正半波期间，U_A触发脉冲出现时，C相也处于电压极性为正（其电压幅度甚至高于A相电压）的状态，两者不具备形成电流通路的条件，晶闸管VT1得到触发信号，但因不具备导通条件而处于关断状态；当C相电压处于负半波期间时，VT2在t₂时刻得到触发信号，但此时VT1的触发脉冲信号已经消失，VT1处于关断状态，VT2也不具备开通条件。说明单窄脉冲触发信号，对三相调压电路是失效的。

图5-12 三相交流调压电路的单脉冲触发示意图

所以对没有中性线的星形联结或三角形联结负载电路，在工作时若要负载电流流通，在每一瞬间至少要有两相构成通路，必须有2只晶闸管同时导通（实际上有3只晶闸管短时导通过程）。要保证触发2只晶闸管同时导通，需采用下面所述的宽脉冲或双脉冲触发方式，要求晶闸管的触发信号除了与相应的交流电源有一致的相序外，各触发信号之间还必须保持一定的相位关系。

可见，三相晶闸管交流调压电路并非3路单相移相触发器的简单组合，应使触发脉冲满足一定的宽度或按一规律重新分配触发脉冲（分配补脉冲）。

2）宽脉冲触发方式（见图5-13）。

宽脉冲方式：如果在t₁时刻，晶闸管VT1（见图5-10）得到较宽的触发脉冲U_A，并一直维持至t₂时刻U_C-触发脉冲的出现以后，U_A与U_C-两个脉冲产生t₁～t₂时段内的重叠区，意味着主电路晶闸管VT1、VT2被同时触发导通，形成了A相正半波期间流经负载电路RL1的电流通路。有资料介绍，这种触发的可靠性最高。对于电阻性负载电路，要求U_A（U_C-）的脉冲宽度必须大于60°小于120°，对于电感性负载电路，因晶闸管在电压过零后，有延时关断过程，需要触发脉冲的宽度为大于60°小于150°，即脉冲出现时刻足以维持到所对应相半波期间触发脉冲的出现，以保障最低有对应相两只晶闸管的同时导通，以形成负载电流通路。

3）双脉冲方式（参见图5-14）。

因宽脉冲直流分量大易使脉冲变压器直流磁化和造成驱动电路功耗过大、晶闸的栅阴结发热，往往对宽脉冲进行高频调制处理后，变为高频开关波形，再作为触发脉冲送出。而双脉冲触发方式是应用最普遍的一种方式。(www.xing528.com)

图5-13 三相交流调压电路的宽脉冲触发示意图

图5-14 三相交流调压电路的双脉冲触发示意图

在电源A相进入正半波时段后的t₁时刻，A相正半波触发电路在输出一个A相正半波的触发脉冲“移A”的同时（触发VT1），也向B相的负半波触发电路发出一个“补A”脉冲，这个补脉冲由B相负半波触发电路输出（触发VT6），VT1、VT6两管的同时导通，对三角形联结负载电路来说，形成A→VT1→RL1→VT6→B的负载电流通路，RL1负载两端的电压为U_AB，这是形成A相正半波电流通路的第一个时段，持续时间较短。

此后，随着C相负半波的到来，t₂时刻“移C-”触发信号（触发VT2）在经C相负半波驱动电路送出的同时，出向A相的正半波触发路，发送一个“补C-”脉冲（触发VT1），此脉冲信号也经A相的正半波驱动电路输出。无论t₁时刻，VT1有无受到触发信号而导通，但在t₂时刻，两个触发信号的同时出现，保障VT6、VT2的同时导通，形成A→VT1→RL1→VT2→C的负载电路通路。这是形成A相正半波电流通路的第二个时段，出现了VT1与VT2、VT6三只晶闸管共通的时刻，这个时段较短；随后，B相电压往正半波方向变化，当VT6承受零偏压和反向偏压后，VT6进入截止状态，只剩下A→VT1→RL1→VT2→C的负载电路通路，由VT1、VT2同时导通所保障。这一时段，保持的时间最长。

可见，电流通路的实现，是在每相的半波时段时，输出两个相差60°的触发脉冲来完成的。第一个脉冲为“本相”的移相触发脉冲，第二个脉冲，为“对应相”发来的补脉冲。图5-14中A双脉冲、C双脉冲，即为移相脉冲和补脉冲的组合。本相触发信号发出时，为与对应相晶闸管形成通路，总在向前一相触发电路发送一个补脉冲信号。如A脉冲发送时，同时向B-驱动电路发送补脉冲；C-脉冲发送时，同时向A驱动电路发送补脉冲。

补脉冲的形成一般是在功率触发电路之间，由脉冲逻辑分配器（可用硬件或软件方法生成）“配送后”输出，也可在末级功率放大电路进行分配，使功率放大器同时驱动两路脉冲变压器来实现，三相交、直流调压电路中的补脉冲分配如图5-15所示。

图5-15 三相调压电路中的补脉冲分配示意图

从图5-15中可看出，每相在发送移相信号的同时，也按顺序向对应相发送补脉冲信号；每一路触发电路，都以双脉冲方式输出。

（5）功率因数角检测电路（或信号）

由晶闸管主电路构成的三相交流调压器，在用于节电运行时，需检测电网侧的功率因数角，控制负载电动机的端电压，达到节能目的。这类设备通常设有功率因数角检测电路，又称为鉴相电路，用于回路中电压和电流的相位差。因感性负载电路中的电压和电流存在着相位差，功率因数越低时，两者的相位差也越大。简单的功率因数角检测电路是将某一相（如A相）的电流和电压检测信号取出，比较两者的相位差，输出结果即表征着功率因数角的大小。

这是晶闸管调压节能装置必须有的一个信号，由此来完成自动生、降压控制，可以完全由电子硬件电路生成，也可以由MCU内部软件方法生成。

功率因数角检测电路的硬件电路构成，请参阅下文5.5 DJK3型电动机节电器整机电路的电路实例。

（6）晶闸管器件的保护电路

1）主电路中的晶闸管保护电路。

晶闸管阳极、阴极两端或晶闸管电源输入端、输出端经常加设相关保护电路，以对晶闸管提供过电压、过电流等相关保护。

①过电流保护。产生过载的主要原因：过载、线路短路、电源断相、晶闸管本身击穿损坏或误触发等，因晶闸管器件体积小，过载时会造成结温过高而烧毁，所以必须严格限制过载电流，除控制（电子）电路实施的保护外，在主电路中经常采用在电源串入快速熔断器，对晶闸管的过载进行保护，在发生6倍晶闸管额定电流时，一个周波内可以熔断。此外，还可采用过电流继电器、直流快速断路器等用于过载和短路保护，但保护速度和效果不如快速熔断器。

快速熔断器的额定电流值为晶闸管电流平均值的1.25～1.5倍。

②过电压保护。产生过电压的原因一般因感性负载电路的开闭、电源电压波动、快速熔断器熔断、电源侧侵入的浪涌电压等，针对形成过电压的不同原因，可采取不同的抑制方法，如抑制过电压能量的上升速率、增加其能量的耗散等，目前最常用的是在主电路回路中接入吸收能量的元件，使能量得以耗散，称之为吸收回路或缓冲电路。

通常过电压具有较高的频率，因此常采用电容作为吸收元件，但为防止振荡，增加阻尼电阻，构成R、C阻容吸收回路。阻容吸收回路可以接在电源输入侧（交流侧）、输出侧（直流侧）和晶闸管的阳极和阴极之间。但R、C阻容吸收回路的时间常数是固定的，对时间短、峰值高、能量大的过电压吸收能力有限，因而在输入侧，通常还并有硒堆、压敏电阻等非线性元件，用以对晶闸管的过电压进行吸收。硒堆由多片硒片叠合而成，硒堆涌流容量大，对过电压抵制效果好，有自恢复特性等优点，但因体积大，价格高，在中、小容量的晶闸管装置中，已经很少应用。

压敏电阻的电压与电流呈非线性关系，当其两端所加电压低于压敏电压值时，压敏电阻的电阻值接近无穷大，为高阻状态，对连接电路没有影响；当压敏电阻两端电压高于压敏电压值时，迅速击穿导通（变为低阻状态），形成较大的泄放电流。当其端电压因泄放又低于压敏电压值时，又恢复为高阻态。当其两端电压超过最大限制电压时，压敏电阻出现不可逆性击穿损坏。压敏电阻在电路中起到过电压保护、抑制浪涌电流、吸收尖峰电压、电压限幅、稳压等作用。

图5-16a所示电路，是并联在晶闸管阳极和阴极之间的RC吸收回路，对晶闸管两端的电压跃变产生抑制作用，降低晶闸管元件在换向时承受的过电压冲击。其“瞬升”电压尖刺为电容C所吸收，电阻R为防止振荡出现的阻尼电阻。

电容C的耐电压值取回路电压的1.5倍左右，C的容量值在晶闸管通态平均电流值为20～200A时，取值0.1～0.5μF，R取值100～10Ω，功率1～3W。

图5-16b所示电路是在晶闸管两端并联压敏电阻，以吸收突变电压能量。

图5-16 晶闸管过电压保护电路

2）控制电路中的电流、电压信号检测和停机保护电路（见图5-17）

一台完善的晶闸管调压设备，不仅能完成交、直流调压控制的任务，其故障检测与保护功能往往也是比较完善的。成熟的交流调压装置是集调压控制与保护功能于一体的。

图5-17 晶闸管调压装置的电子保护电路

用3只电流互感器取得电流信号和过载保护信号，是最基本的和较为常见的一个方法。

由TA1～TA3等3只电流互感器，取出三相工作电流信号，即可形成过载、短路和断相等故障保护信号，而且采集电流信号作为断相故障的判断，比采集电压信号更为准确和合理，不仅能反映输入电源的断相，还能反映出负载电动机的绕组有否断相故障。检测到的电流信号和由电流信号形成的故障信号送往后级电路，除用作运行（起动）电流显示、故障显示外，还向移相触发电路输送故障时的停机保护信号，使主电路晶闸管在故障发生后处于可靠的关断状态。

有些设备还增设了输入电源检测电路，由隔离变压器、光耦合器或由电阻衰减后直接引入三相电源电压信号，并由检测电路产生电源断相故障信号，和输入电源电压的过电压、欠电压信号，送入后级电压显示、故障显示和停机控制电路，故障时关断晶闸管。

部分设备的电路，还从主电路输出端取出电流/电压反馈信号，除用于形成电流环/电压环的闭环控制，还用于输出电流/电压的显示或故障报警。

控制电路中的电流、电压信号检测和停机保护电路，在本章后续几节，有针对电路实例的详尽讲解，请参阅本章后文。