TCA785移相控制芯片應(yīng)用方法的改進(jìn)

摘要：TCA785是德國西門子公司生產(chǎn)的一種性能優(yōu)秀的移相控制芯片，該器件具有溫度適應(yīng)范圍寬，對(duì)過零點(diǎn)的識(shí)別更加可靠，輸出脈沖的整齊度更好，移相范圍更寬等優(yōu)點(diǎn)，此外，由于TCA785的輸出脈沖寬度可以手動(dòng)自由調(diào)節(jié)，因此，該器件可廣泛應(yīng)用在晶閘管控制系統(tǒng)中。文章根據(jù)TCA785芯片的使用特點(diǎn)以及在逆變器實(shí)際運(yùn)用中可能出現(xiàn)的一些問題，提出了一種改進(jìn)的設(shè)計(jì)方法。

１　引言

目前大功率逆變電源的直流部分一般利用三相橋式整流方式來實(shí)現(xiàn)，可以采用全控或者不控方式。全控橋式整流主要通過改變晶閘管觸發(fā)相位的方法來調(diào)節(jié)直流母線電壓的高低，此時(shí)需要檢測(cè)三相交流電壓的相位以實(shí)現(xiàn)同步觸發(fā)，這通常必須使用專用的移相控制芯片實(shí)現(xiàn)。筆者在研制一臺(tái)三相工頻輸入、輸出為１１５Ｖ的３０ｋＶＡ艦用４００Ｈｚ中頻電源的可控整流部分時(shí)，采用ＴＣＡ７８５芯片成功地實(shí)現(xiàn)了三相整流橋的移相控制。

２?。裕茫粒罚福狄葡?strong>控制芯片簡(jiǎn)介

ＴＣＡ７８５是德國西門子（Ｓｉｅｍｅｎｓ）公司開發(fā)的第三代晶閘管單片移相觸發(fā)集成電路，與其它芯片相比，ＴＣＡ７８５具有溫度適用范圍寬，對(duì)過零點(diǎn)的識(shí)別更加可靠，輸出脈沖的整齊度更好，移相范圍更寬等優(yōu)點(diǎn)。另外，由于它輸出脈沖的寬度可手動(dòng)自由調(diào)節(jié)，所以適用范圍更為廣泛。

ＴＣＡ７８５的基本引腳波形如圖１所示。其中５腳為外接同步信號(hào)端，用于檢測(cè)交流電壓過零點(diǎn)。１０腳為片內(nèi)產(chǎn)生的同步鋸齒波，其斜坡最大及最小值由９、１０兩腳的外接電阻與電容決定。通過與１１腳的控制電壓相比較，在１５和１４腳可輸出同步的脈沖信號(hào)，因此，改變１１腳的控制電壓，就可以實(shí)現(xiàn)移相控制，脈沖的寬度則由１２腳外接電容值決定[1]，當(dāng)選擇雙窄脈沖的驅(qū)動(dòng)方式時(shí)，１２腳應(yīng)接１５０ｐＦ電容。實(shí)際上，有幾十個(gè)微秒的脈沖寬度即可使晶閘管正常導(dǎo)通。

３ 使用ＴＣＡ７８５實(shí)現(xiàn)相控整流

實(shí)現(xiàn)三相橋式相控整流的一般方法是利用三相同步變壓器從電源進(jìn)線端引入三路同步信號(hào)，這樣，將同步信號(hào)整形后分別輸?shù)饺裕茫粒罚福担ň幪?hào)為Ａ、Ｂ、Ｃ）的５腳，就能控制６只晶閘管，然后通過引腳復(fù)用即可實(shí)現(xiàn)雙窄脈沖方式驅(qū)動(dòng)。雙窄脈沖方式由于驅(qū)動(dòng)脈寬窄，因而可以有效地減小驅(qū)動(dòng)用脈沖變壓器的體積，防止磁芯飽和[２]。該方法的主電路及同步變壓器如圖２所示，三片ＴＣＡ７８５芯片的引腳與所控制的晶閘管的對(duì)應(yīng)關(guān)系如表１所列。晶閘管通過一個(gè)△／Ｙ型同步變壓器為ＴＣＡ７８５提供同步信號(hào)，當(dāng)進(jìn)線相序（如圖２所示）為正序Ａ、Ｂ、Ｃ時(shí)，同步變壓器的三個(gè)輸出端所對(duì)應(yīng)的中性點(diǎn)的實(shí)際電壓向量為ＡＣ、ＢＡ、ＣＢ，將ＡＣ接至ＴＣＡ７８５（Ａ），ＢＡ接至ＴＣＡ７８５（Ｂ），ＣＢ接至ＴＣＡ７８５（Ｃ），即可實(shí)現(xiàn)正序輸入時(shí)晶閘管的同步驅(qū)動(dòng)。現(xiàn)以Ｔ５～Ｔ１換流為例進(jìn)行分析：Ｔ５至Ｔ１管自然換流點(diǎn)滯后于Ａ相由負(fù)到正過零點(diǎn)３０°，即ＴＣＡ７８５（Ａ）的１５腳輸出至少應(yīng)該滯后于該過零點(diǎn)３０°，而電壓ＡＣ由負(fù)到正過零點(diǎn)正好滯后于Ａ相３０°，因而用ＡＣ作為ＴＣＡ７８５（Ａ）的同步信號(hào)就可以實(shí)現(xiàn)最大范圍的移相控制[３]。

表1 三片TAC785引腳及其對(duì)應(yīng)的晶閘管

其它晶閘管的分析與此類似，即用相應(yīng)的線電壓代替相電壓作為同步信號(hào)。圖３所示是一個(gè)周期的驅(qū)動(dòng)時(shí)序。從Ａ相的自然換流點(diǎn)開始，上、下橋臂晶閘管驅(qū)動(dòng)順序分別為：１→１→３→３→５→５→１和６→２→２→４→４→６→６。
 
４?。裕茫粒罚福凳褂弥谐霈F(xiàn)的問題

４．１ 電源進(jìn)線電壓的相序問題及解決方法

實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，如果直接利用同步變壓器的輸出作為同步信號(hào)，只能在一種輸入相序（正序或者逆序）下工作，一旦輸入相序接法改變，整流就不能正常進(jìn)行。當(dāng)輸入相序?yàn)檎驎r(shí)，根據(jù)前述接線方法，可以使相控整流正常工作，但是當(dāng)輸入相序變?yōu)槟嫘颍?、Ｃ、Ｂ時(shí)，ＴＣＡ７８５（Ａ）的同步信號(hào)變?yōu)椋粒?，ＴＣＡ７８５（Ｂ）的同步信?hào)將變?yōu)椋茫?，ＴＣＡ７８５（Ｃ）的同步信?hào)變?yōu)椋拢?，而芯片的輸出與晶閘管的對(duì)應(yīng)關(guān)系不變，于是，此時(shí)上、下橋臂晶閘管的驅(qū)動(dòng)順序?qū)⒎謩e變?yōu)椋海?rarr;５→３→３→１→１→５和６→４→４→２→２→６→６，而正確的驅(qū)動(dòng)順序應(yīng)當(dāng)為：１→１→５→５→３→３→１和２→６→６→４→４→２→２?？梢?，實(shí)際的驅(qū)動(dòng)順序比正確的驅(qū)動(dòng)順序超前１２０°，此時(shí)運(yùn)行就會(huì)出現(xiàn)故障。在實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)，當(dāng)輸入接成逆序時(shí)會(huì)出現(xiàn)一相進(jìn)線沒有電流的情況，且裝置啟動(dòng)時(shí)直流平波電抗器有振動(dòng)，這在電源輸出功率過大時(shí)會(huì)損壞晶閘管。

實(shí)際上，由于三相全控橋式整流各管可以互換，因此通過改進(jìn)同步信號(hào)獲取電路即可做到整流與輸入相序無關(guān)，從而防止了相序接錯(cuò)損壞晶閘管的問題，同時(shí)還可提高調(diào)試效率。通過分析發(fā)現(xiàn)，當(dāng)輸入為逆序時(shí)，接到ＴＣＡ７８５（Ａ）上的同步信號(hào)應(yīng)該是ＢＣ，而接到ＴＣＡ７８５（Ｂ）上的同步信號(hào)應(yīng)該是ＡＢ，ＴＣＡ７８５（Ｃ）上的同步信號(hào)應(yīng)該是ＣＡ，這正好比實(shí)際超前了１２０°，因此，如果將同步變壓器副方與ＴＣＡ７８５連接改為圖４所示電路，并通過６個(gè)常開節(jié)點(diǎn)的直流繼電器將同步變壓器與３個(gè)ＴＣＡ７８５的同步輸入端相連接，３個(gè)標(biāo)為Ｊ１的繼電器為一組，３個(gè)標(biāo)為Ｊ２的繼電器為一組，每組繼電器同時(shí)打開或者同時(shí)閉合。那么，實(shí)現(xiàn)任何輸入相序下整流控制電路觸發(fā)脈沖的正確順序就只需要使Ｊ１與Ｊ２組中相位滯后１２０°的那一組導(dǎo)通來提供同步信號(hào)即可。

利用單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器７４１２１和Ｄ觸發(fā)器可以構(gòu)成相位鑒別與驅(qū)動(dòng)電路[４]，其電路連接方法如圖５所示，圖中，接到ＴＣＡ７８５（Ａ）上的兩個(gè)繼電器Ｊ１和Ｊ２的輸入端在經(jīng)過削波、整形后可得到同步信號(hào)Ｖ１ 和Ｖ２，這可以通過運(yùn)算放大器實(shí)現(xiàn)。該檢測(cè)電路各電壓波形如圖６所示?？梢钥闯觯绻茫挠|發(fā)器的Ｑ端驅(qū)動(dòng)Ｊ１組繼電器，而用Ｑ非端驅(qū)動(dòng)Ｊ２組繼電器，就可以使ＴＣＡ７８５得到正確的同步信號(hào)。應(yīng)當(dāng)注意的是：設(shè)計(jì)時(shí)要適當(dāng)選擇７４１２１芯片的Ｒｅｘｔ和Ｃｅｘｔ外接電阻電容的參數(shù)，以使７４１２１Ｑ１非引腳低電平狀態(tài)持續(xù)時(shí)間小于Ｄ觸發(fā)器的Ｄ輸入引腳的持續(xù)時(shí)間，同時(shí)應(yīng)小于同步信號(hào)周期的１／６。

由此可見，通過使用繼電器選擇正確的同步信號(hào)，可以實(shí)現(xiàn)整流相序的無關(guān)性。

４．２ ＴＣＡ７８５的過零點(diǎn)振動(dòng)問題及解決方法

三相全控橋式整流進(jìn)線電流是一種不連續(xù)的兔耳狀尖峰電流。當(dāng)電源阻性負(fù)載較重（阻性電流大于１５０Ａ）時(shí)，由于需要大量的有功功率，因此該尖峰電流峰值較大（如本裝置尖峰電流峰值達(dá)到１２０Ａ）。尖峰電流在電源進(jìn)線電阻上會(huì)產(chǎn)生一定的壓降。該電流產(chǎn)生的壓降與輸入正弦波疊加后送到同步變壓器輸入端，可作為同步信號(hào)提供給ＴＣＡ７８５芯片。實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，該疊加電壓在過零點(diǎn)附近存在抖動(dòng)現(xiàn)象。由于ＴＣＡ７８５對(duì)過零點(diǎn)檢測(cè)極為靈敏，從而導(dǎo)致芯片第１０腳鋸齒波斜邊也發(fā)生抖動(dòng)，這樣，由輸出反饋到１１腳的控制電壓即使沒有改變，ＴＣＡ７８５輸出的驅(qū)動(dòng)脈沖也會(huì)存在移相，引起的結(jié)果是進(jìn)線電流峰值變化很大，進(jìn)而在直流平波電抗器上引起強(qiáng)烈的振動(dòng)，甚至對(duì)電網(wǎng)造成沖擊。解決的辦法是在進(jìn)線處加上３個(gè)電感濾波，以平滑進(jìn)線電流，濾除諧波。本裝置取７５μＨ左右的電感，而同步信號(hào)依然從電網(wǎng)側(cè)獲取。實(shí)驗(yàn)證明：該裝置會(huì)使電流振動(dòng)現(xiàn)象消失。

４．３ 同步信號(hào)的整形

從同步變壓器過來的信號(hào)都是正弦信號(hào)，由于ＴＣＡ７８５是利用檢測(cè)過零點(diǎn)的原理來實(shí)現(xiàn)同步的，因此，如果正弦波的幅值過小，那么，就不能提供清晰的過零點(diǎn)，同時(shí)，電磁干擾也可能導(dǎo)致過零點(diǎn)檢測(cè)錯(cuò)誤，但是，正弦波的幅值過大又會(huì)超過芯片的同步電壓輸入范圍，所以應(yīng)當(dāng)將同步信號(hào)整形成方波，具體的整形電路如圖７所示。

圖７電路主要是通過６８ｋΩ電阻實(shí)現(xiàn)限流分壓的，并利用Ｄ１、Ｄ２反并限幅（管壓降為１Ｖ左右）將以正弦波變?yōu)榉讲?。本電源中，同步變壓器的變比為５．１／１，副邊電壓為７５Ｖ，副邊電壓之所以選得較高，是因?yàn)檎也ǚ翟礁?，過零點(diǎn)處的斜率越大，二極管導(dǎo)通越迅速，輸出越接近理想方波。但濾波電容Ｃ１不可過大，否則會(huì)引起同步信號(hào)相位的偏移。

５　結(jié)束語

本文分析了大功率中頻電源的三相全控橋式整流電路中的一些實(shí)際問題，在該中頻電源中，逆變環(huán)節(jié)采用的是電壓型二重化疊加方式，因此，在利用整流環(huán)節(jié)實(shí)現(xiàn)調(diào)壓時(shí)，該環(huán)節(jié)的穩(wěn)定工作極為重要。通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，通過本文所介紹的改進(jìn)方法，其中頻電源工作正常，達(dá)到了預(yù)定指標(biāo)。