晶閘管直流穩(wěn)壓器的過流和短路保護

　　盡管功率場效應(yīng)VDMOS和絕緣柵雙極型晶體管IGBT等電力半導(dǎo)體元器件層出不窮，且在電力電子技術(shù)領(lǐng)域占據(jù)重要位置，晶閘管（可控硅）卻因耐高壓耐大電流沖擊的特性，仍有著穩(wěn)固的陣地，受到用戶的青睞。在擯棄電流采樣、放大和執(zhí)行等多個環(huán)節(jié)的情況下，將單結(jié)晶體管移相觸發(fā)器中的晶體管誤差放大器改為集成運算放大器，就可實現(xiàn)晶閘管直流穩(wěn)壓器的過流及短路保護，簡化了電路結(jié)構(gòu)，并提高了整機的穩(wěn)定可靠性能和AC-DC變換效率。
　　
　　工作原理
　　
　　誤差放大器采用集成運放的晶閘管直流穩(wěn)壓器的控制電路如圖1所示。被控主電路（圖中未畫）是三相半控整流橋，再經(jīng)LC平滑濾波器，輸出+12.8V平滑直流電壓。三相半控整流橋中的三個晶閘管，分別由圖示控制電路中的脈沖變壓器T2a、T2b和T2c來觸發(fā)。推動這三個脈沖變壓器的三個移相觸發(fā)電路是*相同的，且共用一個誤差放大器及其電壓采樣電路。為避免重復(fù)和繁瑣，圖中僅示出B相的移相觸發(fā)器電路，A相和C相電路則用虛線概括。　　
　　移相觸發(fā)器電路仍沿用傳統(tǒng)的單結(jié)晶體管式移相觸發(fā)器。即當(dāng)二極管VD3陰極電壓升高時，流過晶體管VT2的電流（即電容C1的充電電流）減小，單結(jié)晶體管VT1輸出的脈沖電壓后移，晶閘管導(dǎo)通角減小，輸出電壓減小。當(dāng)VD3管陰極電壓下降時，VT2管中電流增大，C1充電速度加快，VT1管輸出脈沖電壓前移，晶閘管導(dǎo)通角增大，輸出電壓也增大。但VT2管中的zui大電流是受電阻R3阻值制約的，不可能無限制地增大，即晶閘管的zui大導(dǎo)通角將由R3鎖定在小于180°大于0°的某個數(shù)值上。
　　
　　將晶體管誤差放大器更換為運算放大器式的誤差放大器，電路結(jié)構(gòu)將簡化，且放大倍數(shù)方便可調(diào)，容易制成比例積分微分調(diào)節(jié)器（PID），使調(diào)壓系統(tǒng)的動態(tài)特性更趨合理。VD2管將C2的平滑直流電壓與移相觸發(fā)器上的同步梯形波電壓隔離開來。當(dāng)來自主電路的+12.8V輸出電壓發(fā)生變化時，取樣電位器RP上的電壓也成比例變化，從而使運放N的同相輸入端3腳電壓相應(yīng)變化，輸出端6腳電壓按放大倍數(shù)變化，zui終導(dǎo)致晶閘管輸出電壓產(chǎn)生相反方向的變化，平衡主電路輸出端的變化，保持了輸出電壓的穩(wěn)定。
　　
　　當(dāng)主電路輸出端出現(xiàn)過流或短路時，輸出電壓至少會產(chǎn)生較大下跌。而R3的阻值又限制了晶閘管的zui大導(dǎo)通角度，即使晶閘管已達(dá)到這個zui大導(dǎo)通角，仍然無法補償過電流在主電路上產(chǎn)生的壓降，使主電路輸出端+12.8V電壓嚴(yán)重下跌（短路時電壓為0V）。這樣運放N同相輸入端3腳電壓就低于反相輸入端2腳，于是輸出端6腳輸出超低電壓，較大電流流過R3，VT2管集電極電壓就會低于單結(jié)晶體管VT1的峰點電壓，VT1管不能產(chǎn)生振蕩脈沖，主電路中的三個晶閘管也就無法導(dǎo)通，實現(xiàn)了過流（短路）保護。與此同時，蜂鳴器HA鳴叫，發(fā)光二極管VL點亮，以聲光的形式告知操作人員：此時已處于過流（短路）保護狀態(tài)。
　　
　　負(fù)載故障排除后，按一下恢復(fù)按鈕SA，C2上的直流電壓通過電阻R7重新使運放N的3腳電壓高于2腳，6腳再次輸出較高電壓，晶閘管恢復(fù)導(dǎo)通，+12.8V的輸出電壓恢復(fù)正常。電容C3為啟動電容，開機瞬間若無C3，主電路尚無直流電壓輸出，運放N的3腳電壓為零，而2腳電壓高于7V以上，故輸出端6腳電壓很低（約為2V），電容C1上電壓達(dá)不到VT1單結(jié)晶體管的峰點電壓，VT1管無脈沖電壓輸出，晶閘管不能導(dǎo)通，主電路輸出端就會—直處于零電壓狀態(tài)。設(shè)置C3后，開機瞬間同步電壓通過VD2管對C3充電，在RP和R11產(chǎn)生高于運放N的2腳電壓，6腳即輸出較高電壓，使主電路輸出端輸出+12.8V的直流電壓。
　　
　　不難看出，該電路與集電極輸出式晶體管直流穩(wěn)壓器有相似之處，但該電路更*——僅用一個電容就能自行啟動，且絲毫不影響穩(wěn)壓性能。
　　
　　電路調(diào)試
　　
　　該電路與主電路聯(lián)通調(diào)試時，不妨將電阻R3的阻值換大些，然后將主電路輸出端負(fù)載逐漸加大。如果加至設(shè)定保護電流值以下的某個電流時輸出電壓突然降為零，這說明過流保護功能已開始實施，只是實施得過早了些。這時可將R3阻值減小一些，繼續(xù)如前進行加載實驗，此時的保護電流動作值應(yīng)比上次大了一些。繼續(xù)減小R3阻值，直至達(dá)到設(shè)定保護電流時實施保護為止。R3阻值確認(rèn)后，當(dāng)采用相同阻值的固定電阻器取代，盡量不用電位器，以免其阻值調(diào)亂而喪失或過早實施過流（短路）保護功能，妨礙穩(wěn)壓器的正常應(yīng)用。
　　
　　*，單結(jié)晶體管型觸發(fā)器的觸發(fā)功率并不很大，本文所述的應(yīng)用電路用來觸發(fā)三相半控晶閘管橋式整流器，其晶閘管規(guī)格為100A，使+12.8V穩(wěn)壓器輸出電流可達(dá)180A，超過180A時，潛隱的過流（短路）保護功能顯現(xiàn)———單結(jié)晶體管VT1失去振蕩脈沖，三個晶閘管截止。主電路中的三相電源變壓器（圖中未畫出）的容量和額定電壓值決定了待保護電流動作值的上限，至于上限之下為何值動作，那就要由電阻R3的阻值大小來決定。實際上，單結(jié)晶體管VT1和三極管VT2的相關(guān)參數(shù)—如分壓比、峰點電壓、谷點電壓、電流放大倍數(shù)等，是與R3阻值一起，共同來確定保護電流動作值的，不過VT1和VT2管參數(shù)的離散性較大，一般只用調(diào)整R3阻值大小的方法來確定保護電流的動作值，這樣更方便更經(jīng)濟。這就不難理解：為什么同一型號同一規(guī)格的穩(wěn)壓器會出現(xiàn)不同的R3阻值了。對同一臺穩(wěn)壓器而言，三個觸發(fā)器中的單結(jié)管VT1、三極管VT2和電阻R3的參數(shù)值應(yīng)分別保持一致，以確保三個晶閘管導(dǎo)通角的一致（對稱）性以及*紋波系數(shù)。
　　
　　考慮到穩(wěn)壓器對輸出電壓的紋波系數(shù)有—定要求，而且濾波電感不可能定得太大，輸出直流電壓的可控范圍也就不宜定得過寬，在供電電壓下限且輸出額定電流時，輸出額定電壓（如+12.8V）上下有少許調(diào)節(jié)余量即可，這就要求制作者必須設(shè)計好三相電源變壓器副邊繞組。然后，在調(diào)試中調(diào)整電阻R3和電位器RP阻值，以zui終滿足預(yù)期的輸出特性的要求。盡管本文繪出的僅是一個具體的實用電路，但該電路形式及其工作原理適用于所有移相觸發(fā)晶閘管直流穩(wěn)壓器，應(yīng)用時*不必拘泥于這一個“實用電路”，盡可放開思路，憑借該題，充分發(fā)揮，以取得舉一反三的設(shè)計成果。
　　
　　結(jié)束語
　　
　　綜上所述不難發(fā)現(xiàn)，控制電路以及未示出的主電路中，沒有設(shè)置過流和短路保護電路，也沒有專設(shè)置具有過流保護功能的元器件，卻能實實在在地實現(xiàn)過流及短路的可靠保護，而且這種保護電流的動作值可以在大范圍內(nèi)予以調(diào)節(jié)。這是一種沒有過流保護環(huán)節(jié)卻具有過流保護功能的晶閘管直流穩(wěn)壓器，是單結(jié)晶體管移相觸發(fā)器和集成運算放大器合理組合的結(jié)果。通過這一實例可以得到一些啟示：將一些元器件進行合理組合，可以產(chǎn)生意想不到的效果——各種元器件也都或多或少的具備這樣那樣的潛隱功能。從某種意義上來說，積極開發(fā)元器件潛隱功能的意義，甚至?xí)^開發(fā)新的元器件。這就好像將同樣的文字進行新的組合，寫出了另一篇意境深邃、妙趣橫生的文章一樣。愿本文能對傳統(tǒng)元器件的更多新應(yīng)用起到拋磚引玉的作用。