徐競哲

(深圳市能源環(huán)保有限公司，廣東 深圳 518048)

晶閘管廣泛應用于電力系統(tǒng)、通信系統(tǒng)、電力拖動系統(tǒng)等領域，利用晶閘管的高電壓、大電流即大功率工作的特點，可實現(xiàn)整流與逆變。但是晶閘管是一個半可控器件，觸發(fā)脈沖需具備以下幾個條件：

1)觸發(fā)信號應有足夠的功率(電壓、電流) ；

2)觸發(fā)脈沖信號應有一定的寬度；

3)觸發(fā)脈沖信號前沿要陡；

4)觸發(fā)脈沖與主回路電源電壓必須同步；

5)觸發(fā)脈沖具有足夠的移相范圍[1]。

能產(chǎn)生觸發(fā)脈沖信號的電路種類較多，單結晶體管觸發(fā)電路是一種簡單適用的觸發(fā)脈沖產(chǎn)生電路，但主要用于要求不高的小功率變流電路中。而大、中功率的變流器，對觸發(fā)電路的精度要求較高，對輸出的觸發(fā)功率要求較大，故廣泛使用的是晶體管觸發(fā)電路、專用集成電路，其中以同步信號為鋸齒波的觸發(fā)電路和KC04鋸齒波移相觸發(fā)電路為代表[2]。

上述觸發(fā)電路具有共同的缺點：當需要穩(wěn)壓的時候，輸出整流波形易產(chǎn)生突變，導致輸出電壓不穩(wěn)定，進而對電網(wǎng)造成干擾；晶體管觸發(fā)電路還有脈沖移相比較復雜，易導致過調的現(xiàn)象。

目前，實現(xiàn)電動汽車快充是業(yè)界解決電動汽車快速推廣的一個重要共識。2021年9月17日，交通運輸部副部長王志清在?？谑姓匍_的2021世界新能源汽車大會上表示，2025年中國高速公路的快充覆蓋率要達到80%[3]。

采用晶閘管整流電源是實現(xiàn)大電流快充最簡單有效的方案。由于需要聯(lián)網(wǎng)、計算機自動控制，研究晶閘管數(shù)字移相觸發(fā)脈沖電路有非常重要的意義。本項目采用proteus仿真軟件仿真研究的晶閘管數(shù)字移相觸發(fā)脈沖電路，輸出觸發(fā)脈沖功率大，信號穩(wěn)定；采用標準集成電路，價格便宜；具有手動編碼控制、數(shù)字鍵控控制和單片機控制方式。單片機控制時只需根據(jù)輸出電壓要求，輸出地址信號，編程非常簡單。

關于proteus仿真軟件的使用這里不進行介紹，可以參考相關書籍[4]，數(shù)字電路仿真的結果與實際調試一般沒有差異，模擬電路還應該以實際調試為準。下面介紹電動汽車快充電源的移向脈沖觸發(fā)電路設計。

1 觸發(fā)脈沖發(fā)生器設計方案

觸發(fā)脈沖的要求如前所述。電動汽車充電電源需要采用自動數(shù)字輸入設置充電參數(shù)，單片機控制電源的工作狀態(tài)，而晶閘管整流電源是角度控制，因此采用數(shù)字控制觸發(fā)脈沖電路比較適合。鑒于動態(tài)仿真的需要，本設計采用手動編碼控制代替單片機控制。三相數(shù)字移相觸發(fā)脈沖電路構成框圖如圖1所示。

電路的設計思路是：同步信號經(jīng)過波形變換形成方波信號，控制6.4 kHz振蕩器工作狀態(tài)和移位寄存器工作狀態(tài)：當方波高電平時，振蕩器工作，輸出脈沖串，移位寄存器串行輸出位置脈沖；當方波低電平時，振蕩器停止工作，移位寄存器并行輸入位置信號，為串出作準備。波段開關輸出1個地址信號，作為移位寄存器的并入信號，移位寄存器按照并入串出工作，在八分頻器輸出脈沖控制下，每20 ms輸出1個脈沖。此時移位寄存器相當于一個數(shù)據(jù)選擇器，地址信號相當于輸入端口位置數(shù)據(jù)，在1個周期中時鐘脈沖循環(huán)選中端口地址，則輸出1個周期性的脈沖信號。改變波段開關的地址信號，即改變脈沖位置，改變晶閘管觸發(fā)脈沖的控制角α。

圖1 數(shù)字移相觸發(fā)脈沖信號發(fā)生器組成框圖

由于三相觸發(fā)脈沖發(fā)生器結構相同，只是同步信號不同，下面只介紹A相的電路設計與仿真。

2 單元電路設計及仿真

2.1 同步信號波形變換

同步信號波形變換電路如圖2所示。電路由運放U1：A作比較器，電阻R22，二極管D3、D4組成同步信號輸入電路，D3、D4限壓保護運放。R20構成輸入直流平衡電阻，減小零點的偏移。LM324將輸入的正弦同步信號轉換為方波信號，控制多諧振蕩器和移位寄存器與A相交流電壓同步工作。工作電源U1：A(V+)=5 V。波形變換圖表仿真測試波形如圖3所示。

圖2 同步信號波形變換電路

圖3 波形變換測試波形

2.2 6.4 kHz多諧振蕩器

6.4 kHz多諧振蕩器電路如圖4所示。典型的555多諧振蕩器，當同步方波信號U2(R)為高電平時，對應50 Hz正弦波的正半周，電路工作。

圖4 6.4 kHz多諧振蕩器

按照f=1/T=1.44/(R1+2R2)×C計算元件參數(shù)。首先將晶閘管移相設為0°～180°，對應時間為0～10 ms，粗調部分8位脈沖的寬度為10 ms。因此，粗調脈沖頻率為8/10 ms=800 Hz，脈沖寬度為10 ms/8=1.25 ms，對應每個脈沖調節(jié)角度180°/8=22.5°。

設置細調脈沖是為了使輸出電壓的調節(jié)更加精確。8個細調脈沖的寬度應該等于粗調脈沖的寬度，因此，細調脈沖頻率等于粗調脈沖的8倍，即555振蕩器的頻率為6.4 kHz，脈沖寬度為1.25 ms/8=0.156 ms，對應每個脈沖調節(jié)角度為22.5°/8=2.81°。555振蕩器受同步整形脈沖控制。

設電容C1的電容量為0.1 μF且R23=R24，計算出R24=750 Ω，經(jīng)仿真調整得出R23=680 Ω。

仿真測試6.4 kHz脈沖串波形如圖5。

圖5 6.4 kHz脈沖發(fā)生器輸出脈沖串

2.3 八分頻電路

八分頻電路由74LS161實現(xiàn)，如圖6所示。電路的置“0”、置“數(shù)”端和使能端置高電平，74LS161處于16進制狀態(tài)。Q2輸出脈沖為輸入時鐘的八分頻。輸出脈沖仿真測試波形如圖7所示。

圖6 八分頻電路

圖7 6.4 kHz八分頻電路輸出波形

2.4 粗調觸發(fā)脈沖產(chǎn)生電路

圖8 粗調觸發(fā)脈沖產(chǎn)生電路

(a)粗調脈沖地址處于低位的脈沖狀態(tài)

(b)粗調脈沖地址處于高位的脈沖狀態(tài)圖9 不同粗調脈沖地址位置的輸出脈沖比較

在工作中可以旋轉波段開關SW1，選擇芯片U3的某一輸入端口為高電平，其余為低電平，可以設置輸出脈沖的位置。移位工作時，高位地址端口數(shù)據(jù)先輸出，因此當連接高位地址為“1”時，則脈沖在前，控制角α較小，整流輸出電壓較高；當連接低位地址為“1”時，控制角α較大，整流輸出電壓較低。不同粗調脈沖地址位置的輸出脈沖比較見圖9。

54/74165為8位移位寄存器(并行輸入，互補串行輸出)，當移位/置入控制端(SH/LD)為低電平時，并行數(shù)據(jù)(A-H)被置入寄存器，而時鐘(CLK，CLK INH-INK)及串行數(shù)據(jù)(SER)均無關。當SH/LD為高電平時，并行置數(shù)功能被禁止。CLK和CLK INH在功能上是等價的，可以交換使用。當CLK和CLK INH中有一個為低電平并且SH/LD為高電平時，另一個時鐘可以輸入。當CLK和CLK INH中有一個為高電平時，另一個時鐘被禁止。只有在CLK為高電平時，CLK INH才可變?yōu)楦唠娖健?/p>

芯片74LS165的1腳具有同步的功能，在其為高電平期間，產(chǎn)生移位寄存。比如波段開關置U3的13腳D2=1，在時鐘CLK控制下，經(jīng)5個時鐘脈沖移相，該信號在U3(SO)9腳輸出1個脈沖。波段開關SW1各腳連接R4至R11下拉電阻，阻值不能大，需要保證在開關觸點斷開時，74LS165的輸入為低電平。2腳為時鐘，從八分頻電路接入。

2.5 細調觸發(fā)脈沖產(chǎn)生電路

細調觸發(fā)脈沖產(chǎn)生電路由α細調移位寄存器和輸入的移位數(shù)據(jù)組成，電路結構與粗調觸發(fā)脈沖產(chǎn)生電路相同。其工作原理與粗調觸發(fā)脈沖產(chǎn)生電路相同。

芯片U5的1腳連接粗調輸出脈沖，實現(xiàn)細調和粗調同步的功能，2腳時鐘脈沖為多諧振蕩器輸出脈沖，如圖10所示。在工作中可以旋轉波段開關SW2，細調輸出脈沖的位置,從而微調整流器輸出電壓。

不同細調脈沖地址位置的輸出脈沖比較見圖11。

2.6 觸發(fā)脈沖驅動與輸出電路

電路由三極管Q1、輸入限流電阻R1、輸出限流電阻R2、脈沖導引二極管D1、反向限幅二極管D2，脈沖變壓器X1組成。電路如圖12所示。由于電路工作原理與其他脈沖輸出電路相同，這里不再贅述。

圖10 細調觸發(fā)脈沖產(chǎn)生電路

圖10 細調觸發(fā)脈沖產(chǎn)生電路

(a)細調脈沖地址處于低位的脈沖狀態(tài)

(b)細調脈沖地址處于高位的脈沖狀態(tài)圖11 不同細調脈沖地址位置的輸出脈沖比較

2.7 A相觸發(fā)脈沖產(chǎn)生與半波可控制流電路

將前述部分電路合成完整的觸發(fā)脈沖產(chǎn)生電路并加上半波可控整流主電路，如圖13所示。電路采用波段開關手動調節(jié)輸出電壓。電路采用12波段開關是由于仿真元件庫缺少能夠仿真的8波段開關。

圖12 觸發(fā)脈沖驅動與輸出電路

圖13 數(shù)字移相觸發(fā)脈沖產(chǎn)生電路控制的半波可控整流主電路

如果把波段開關SW1、SW2的滑動觸頭位置用二進制代碼Q0Q1Q2Q3Q4Q5表示，不同地址碼輸入的情況下，采用圖表模式模擬信號仿真，觸發(fā)信號波形和整流電路輸出波形如圖14所示。Q0Q1Q2Q3Q4Q5表示的二進制代碼是數(shù)控或單片機控制時的地址譯碼輸出值。對應圖號為a、b、c……的每組波形由U5(SO)、U3(SO)、R3(2)組成，分別反映了不同地址碼產(chǎn)生的觸發(fā)脈沖的控制角(時間位置)及其對整流輸出的控制。U5(SO)：電路輸出的觸發(fā)脈沖波形；U3(SO)：粗調輸出脈沖波形；R3(2)：半波整流輸出波形。

圖14 驗證數(shù)字移相脈沖發(fā)生器的單相半波整流電路波形

3 數(shù)據(jù)分析與結論

通過輸出觸發(fā)脈沖波形分析，脈沖粗調范圍為0°～180°，細調為0°～22.5°，移相范圍符合要求；脈沖幅度12 V，波形前后沿陡峭，非常標準。觸發(fā)脈沖與整流輸出信號前沿高度重合，說明同步良好。

測試表明，觸發(fā)脈沖信號產(chǎn)生容易，穩(wěn)定可靠，功率大，脈沖寬度、陡度符合晶閘管對觸發(fā)脈沖的全部要求，同步性能優(yōu)越，調試簡單，完全符合設計預期。

在快充電源中，如果采用單片機控制晶閘管控制角α，則只需根據(jù)充電電源的電壓要求，計算出控制角α的大小對應的地址代碼，輸出代碼即可。因此，在自動充電系統(tǒng)中，即方便輸出電壓自動控制，又方便電能計量及后臺管理。