单端正激式脉冲隔离驱动电路的分析研究

张加胜，张 磊，刘希臣

(中国石油大学信息与控制工程学院，山东青岛266580)

0 引言

单端正激式脉冲隔离驱动电路，作为各类控制系统与被控对象之间的功率接口，有着广泛的应用。尤其是在单端正激式开关电源和晶闸管触发驱动应用中，通常都要求其脉冲频率较高。两者的差别在于，前者变压器副边经二极管半波整流和滤波环节，为直流负载提供电能，其占空比需要连续可调，即采用PWM控制;而后者变压器副边经二极管半波整流后为晶闸管门极提供脉冲列触发，一般占空比固定，但需要根据晶闸管触发及同步要求来控制脉冲列的连续作用时间。无论哪方面应用，其单端正激式脉冲隔离电路的拓扑结构和基本作用原理是相同的。本文以单端正激式脉冲隔离驱动电路在晶闸管触发驱动方面的应用为例，对有关高频脉冲变压器电磁作用原理及磁通复位和参数设计等问题进行研究分析。

晶闸管触发驱动电路通常包括驱动电路以及对其触发时刻进行控制的同步移相控制电路［1，2]。本文集中研究触发脉冲的放大和输出驱动环节，有关相位控制电路在有关电力电子技术的教科书中已有讨论。故不复述。

为保证晶闸管可靠触发导通，门极的脉冲列电流必须有足够大的幅值和持续时间，以及尽可能短的电流上升时间。控制电路和主电路之间的隔离，通常既可以通过光耦也可以采用脉冲变压器来实现。这两种方式各有优缺点:光耦隔离体积小，但对光耦器件耐压要求较高，并且往往还需要在主电路侧配置有高电压隔离的独立直流电源和脉冲放大器;采用脉冲变压器隔离的优点是毋需另加驱动电源，响应速度快等。然而，对脉冲变压器而言，既要设法提高脉冲频率，减小磁芯体积，又要防止磁芯饱和。其单正激电路拓扑结构虽然简单，但是所涉及的电磁作用原理及磁通复位和参数设计等问题，还是比较复杂的，在电力电子类有关教学当中，既是重点又是难点。

1 单端正激式脉冲隔离驱动电路

图1给出了一种基于脉冲变压器和三极管放大器的常见的单端正激晶闸管触发驱动电路。该驱动电路由V1和V2构成的脉冲放大环节，脉冲变压器TM及附属电路构成。该脉冲变压器由于工作于单端驱动状态，一般在磁芯设计时需要加入适当的气隙，以扩大磁化曲线的线性范围，防止饱和及减少剩磁影响。在以下分析中将忽略这些不理想因素带来的影响［3]。

图1 晶闸管触发驱动电路

当开关管V1和V2导通时，电源电压E2几乎全部施加在脉冲变压器的原边绕组上(R2为限流电阻，一般取值很小)。通过脉冲变压器磁耦合作用，在副边产生电压上正下负的输出触发脉冲，经VD2和限流电阻R4作用于晶闸管的门极G和阴极K之间，提供后级触发电流。当V2关断时，由于TM原边电流的急剧减小，其di/dt＜0，由楞次定律决定其原边产生下正上负的自感反电势，致使VD1导通，对原边电流形成续流通路。同时在副边也产生下正上负的电压，由于VD2反偏，所以此时TM副边形不成电流通路。VD3的存在使此时输出给门极G与阴极K之间的电压近似为零。VD3还具有防止负脉冲和其它干扰信号影响后级晶闸管工作的效果。

VD1和R3的作用十分重要。若该支路断开，在V2关断时会在TM原边形成很高的自感反电势，导致V2过压击穿。VD1和R3形成的续流支路可以使V2在关断瞬间的集电极电位大为降低。

2 采用高频调制的宽脉冲触发

通常采用脉冲变压器隔离的触发驱动电路是难以传递宽触发脉冲的。比如，图1驱动电路若在其V1管基极作用以如图2(a)所示的宽脉冲信号uB1，在V2管导通期间，脉冲变压器原边电压u1≈E2和励磁电流i0满足L(di0/dt)=u1。这里L为脉冲变压器励磁电感。由于V2管持续导通时间过长，i0会变得很大，从而将导致脉冲变压器的铁芯磁通饱和，除非铁芯体积足够大［4，5]。磁芯的截面积越小，越容易形成磁通饱和，则副边所得到的u2电压脉冲越窄，远远达不到输入控制信号uB1脉冲的宽度。

为了改变这种情况，使副边输出触发脉冲的持续时间符合输入控制信号的要求，实际中往往采用对输入宽脉冲信号进行高频调制的脉冲列触发方式，如图2(b)所示。

图2 两种晶闸管触发驱动控制方式

图中输入脉冲控制信号uB1的持续作用时间与图2(a)中相同，只是按一定占空比经过了高频调制。在每一个窄脉冲高电平期间，V2管导通，励磁电流的上升率为正，i0近乎直线上升。在V2管关断时，由于原边反电势作用使u1为负压，由VD1和R3续流支路为i0提供通路，i0开始下降，其下降速度决定于负压的大小。该负压由i0在R3上的压降提供。在每个开关周期中，由于变压器铁芯工作于磁化曲线的线性区，磁通与i0成比例地变化。

3 磁通复位及波形畸变

若R3取值较大，反电势作用产生的u1负值也较大，可以使i0的下降速度较快。其下降速度应保证在下一个窄脉冲到来之前，i0下降到零，从而使铁芯磁通减小到零，通常称作磁通复位［5]。

图2(b)所示为V2管关断时的u1负值与其导通时的u1正值相等，均等于电源电压E2时对应的波形(此时V2管关断时的集电极电位应比电源电压E2高出一倍)，要求此时输入脉冲列的占空比最大不能超过50%。比如，E2为12V，励磁电流i0峰值I0p=10mA。若要脉冲列的占空比最大50%保证变压器能磁通复位，则要求R3＞E2/I0p=1.2kΩ，实际取值1.5kΩ。图中uGK可以理解为u2经过整流之后的波形。若R3取值较小，u1负值较小，对降低V2管所承受的集电极电压有利，但会使i0的下降速度很慢，若脉冲列的占空比较大，在下一个窄脉冲到来时，可能i0并不能下降到零，这样就会导致铁芯磁通不能复位到零。经过若干个窄脉冲作用之后，就会越积累越大，逐渐饱和，副边电压u2及晶闸管触发脉冲列的幅度会逐渐变小，甚至衰减到零，如图3所示。

可见R3的取值应该合理。取值过大对磁通加快复位有利，但对V2管的耐压要求提高。实际上VD1和R3就是为了V1和V2管由导通变为截止时脉冲变压器TM释放其储存能量而设置的。

图3 磁通不能复位对脉冲列触发的影响

4 实验结果

对图1所示单端正激电路，电源取12V，脉冲变压器变比为2:1，脉冲调制频率6.4kHz，占空比50%，输出端接晶闸管的G-K极做驱动负载。当R3分别取3kΩ和20Ω时，用示波器所测得的脉冲变压器原边电压和输出电压脉冲列波形分别如图4所示。变压器原边电压如图上侧所示，输出电压下侧所示。

图4R3取值不同时脉冲波形

图4(a)表明在R3取值3kΩ时，当开关管V2关断时，变压器原边形成的反电势(负电压)高达38V。经R3续流的励磁电流下降率较大，变压器磁通复位较快，不存在磁通饱和现象，输出触发脉冲序列正常，此波形对应于图2(b)中uGK。由于晶闸管G-K极间的电压箝位作用，其峰值仅约1.5V;而图4(b)表明在R3取值20Ω时，当开关管V2关断时，变压器原边形成的反电势(负电压)很低，励磁电流下降率也很小，变压器磁通不能复位，在每次开始触发的前几个脉冲列周期，励磁电流尚不太大，磁通尚未饱和，输出脉冲还算正常。随着磁通逐渐积累饱和，致使输出脉冲列幅度逐渐衰减，不能正常触发。实验结果表明磁通饱和给变换波形带来的显著影响。

［1] 张加胜，张磊.电力电子技术［M] .青岛:中国石油大学出版社，2007:107-114

［2] 张波，张雪霁.晶闸管并联静动态均流原理的教学［J] .南京:电气电子教学学报，2011，33(2):105～107

［3] 张占松，蔡宣三.开关电源的原理与设计［M] .北京:电子工业出版社，1998

［4] 刘觉民，付义.微机控制高频脉冲列实现晶闸管“双窄脉冲触发”的研究与应用［J] .北京:电工电能新技术，2012，31(1):79-83

［5] 邢岩，蔡宣三.高频功率开关变换技术［M] .北京:机械工业出版社，2005:162～174