新型晶闸管数字移相触发脉冲产生电路的仿真研究

徐竞哲

(深圳市能源环保有限公司，广东 深圳 518048)

晶闸管广泛应用于电力系统、通信系统、电力拖动系统等领域，利用晶闸管的高电压、大电流即大功率工作的特点，可实现整流与逆变。但是晶闸管是一个半可控器件，触发脉冲需具备以下几个条件：

1)触发信号应有足够的功率(电压、电流) ；

2)触发脉冲信号应有一定的宽度；

3)触发脉冲信号前沿要陡；

4)触发脉冲与主回路电源电压必须同步；

5)触发脉冲具有足够的移相范围[1]。

能产生触发脉冲信号的电路种类较多，单结晶体管触发电路是一种简单适用的触发脉冲产生电路，但主要用于要求不高的小功率变流电路中。而大、中功率的变流器，对触发电路的精度要求较高，对输出的触发功率要求较大，故广泛使用的是晶体管触发电路、专用集成电路，其中以同步信号为锯齿波的触发电路和KC04锯齿波移相触发电路为代表[2]。

上述触发电路具有共同的缺点：当需要稳压的时候，输出整流波形易产生突变，导致输出电压不稳定，进而对电网造成干扰；晶体管触发电路还有脉冲移相比较复杂，易导致过调的现象。

目前，实现电动汽车快充是业界解决电动汽车快速推广的一个重要共识。2021年9月17日，交通运输部副部长王志清在海口市召开的2021世界新能源汽车大会上表示，2025年中国高速公路的快充覆盖率要达到80%[3]。

采用晶闸管整流电源是实现大电流快充最简单有效的方案。由于需要联网、计算机自动控制，研究晶闸管数字移相触发脉冲电路有非常重要的意义。本项目采用proteus仿真软件仿真研究的晶闸管数字移相触发脉冲电路，输出触发脉冲功率大，信号稳定；采用标准集成电路，价格便宜；具有手动编码控制、数字键控控制和单片机控制方式。单片机控制时只需根据输出电压要求，输出地址信号，编程非常简单。

关于proteus仿真软件的使用这里不进行介绍，可以参考相关书籍[4]，数字电路仿真的结果与实际调试一般没有差异，模拟电路还应该以实际调试为准。下面介绍电动汽车快充电源的移向脉冲触发电路设计。

1 触发脉冲发生器设计方案

触发脉冲的要求如前所述。电动汽车充电电源需要采用自动数字输入设置充电参数，单片机控制电源的工作状态，而晶闸管整流电源是角度控制，因此采用数字控制触发脉冲电路比较适合。鉴于动态仿真的需要，本设计采用手动编码控制代替单片机控制。三相数字移相触发脉冲电路构成框图如图1所示。

电路的设计思路是：同步信号经过波形变换形成方波信号，控制6.4 kHz振荡器工作状态和移位寄存器工作状态：当方波高电平时，振荡器工作，输出脉冲串，移位寄存器串行输出位置脉冲；当方波低电平时，振荡器停止工作，移位寄存器并行输入位置信号，为串出作准备。波段开关输出1个地址信号，作为移位寄存器的并入信号，移位寄存器按照并入串出工作，在八分频器输出脉冲控制下，每20 ms输出1个脉冲。此时移位寄存器相当于一个数据选择器，地址信号相当于输入端口位置数据，在1个周期中时钟脉冲循环选中端口地址，则输出1个周期性的脉冲信号。改变波段开关的地址信号，即改变脉冲位置，改变晶闸管触发脉冲的控制角α。

图1 数字移相触发脉冲信号发生器组成框图

由于三相触发脉冲发生器结构相同，只是同步信号不同，下面只介绍A相的电路设计与仿真。

2 单元电路设计及仿真

2.1 同步信号波形变换

同步信号波形变换电路如图2所示。电路由运放U1：A作比较器，电阻R22，二极管D3、D4组成同步信号输入电路，D3、D4限压保护运放。R20构成输入直流平衡电阻，减小零点的偏移。LM324将输入的正弦同步信号转换为方波信号，控制多谐振荡器和移位寄存器与A相交流电压同步工作。工作电源U1：A(V+)=5 V。波形变换图表仿真测试波形如图3所示。

图2 同步信号波形变换电路

图3 波形变换测试波形

2.2 6.4 kHz多谐振荡器

6.4 kHz多谐振荡器电路如图4所示。典型的555多谐振荡器，当同步方波信号U2(R)为高电平时，对应50 Hz正弦波的正半周，电路工作。

图4 6.4 kHz多谐振荡器

按照f=1/T=1.44/(R1+2R2)×C计算元件参数。首先将晶闸管移相设为0°～180°，对应时间为0～10 ms，粗调部分8位脉冲的宽度为10 ms。因此，粗调脉冲频率为8/10 ms=800 Hz，脉冲宽度为10 ms/8=1.25 ms，对应每个脉冲调节角度180°/8=22.5°。

设置细调脉冲是为了使输出电压的调节更加精确。8个细调脉冲的宽度应该等于粗调脉冲的宽度，因此，细调脉冲频率等于粗调脉冲的8倍，即555振荡器的频率为6.4 kHz，脉冲宽度为1.25 ms/8=0.156 ms，对应每个脉冲调节角度为22.5°/8=2.81°。555振荡器受同步整形脉冲控制。

设电容C1的电容量为0.1 μF且R23=R24，计算出R24=750 Ω，经仿真调整得出R23=680 Ω。

仿真测试6.4 kHz脉冲串波形如图5。

图5 6.4 kHz脉冲发生器输出脉冲串

2.3 八分频电路

八分频电路由74LS161实现，如图6所示。电路的置“0”、置“数”端和使能端置高电平，74LS161处于16进制状态。Q2输出脉冲为输入时钟的八分频。输出脉冲仿真测试波形如图7所示。

图6 八分频电路

图7 6.4 kHz八分频电路输出波形

2.4 粗调触发脉冲产生电路

图8 粗调触发脉冲产生电路

(a)粗调脉冲地址处于低位的脉冲状态

(b)粗调脉冲地址处于高位的脉冲状态图9 不同粗调脉冲地址位置的输出脉冲比较

在工作中可以旋转波段开关SW1，选择芯片U3的某一输入端口为高电平，其余为低电平，可以设置输出脉冲的位置。移位工作时，高位地址端口数据先输出，因此当连接高位地址为“1”时，则脉冲在前，控制角α较小，整流输出电压较高；当连接低位地址为“1”时，控制角α较大，整流输出电压较低。不同粗调脉冲地址位置的输出脉冲比较见图9。

54/74165为8位移位寄存器(并行输入，互补串行输出)，当移位/置入控制端(SH/LD)为低电平时，并行数据(A-H)被置入寄存器，而时钟(CLK，CLK INH-INK)及串行数据(SER)均无关。当SH/LD为高电平时，并行置数功能被禁止。CLK和CLK INH在功能上是等价的，可以交换使用。当CLK和CLK INH中有一个为低电平并且SH/LD为高电平时，另一个时钟可以输入。当CLK和CLK INH中有一个为高电平时，另一个时钟被禁止。只有在CLK为高电平时，CLK INH才可变为高电平。

芯片74LS165的1脚具有同步的功能，在其为高电平期间，产生移位寄存。比如波段开关置U3的13脚D2=1，在时钟CLK控制下，经5个时钟脉冲移相，该信号在U3(SO)9脚输出1个脉冲。波段开关SW1各脚连接R4至R11下拉电阻，阻值不能大，需要保证在开关触点断开时，74LS165的输入为低电平。2脚为时钟，从八分频电路接入。

2.5 细调触发脉冲产生电路

细调触发脉冲产生电路由α细调移位寄存器和输入的移位数据组成，电路结构与粗调触发脉冲产生电路相同。其工作原理与粗调触发脉冲产生电路相同。

芯片U5的1脚连接粗调输出脉冲，实现细调和粗调同步的功能，2脚时钟脉冲为多谐振荡器输出脉冲，如图10所示。在工作中可以旋转波段开关SW2，细调输出脉冲的位置,从而微调整流器输出电压。

不同细调脉冲地址位置的输出脉冲比较见图11。

2.6 触发脉冲驱动与输出电路

电路由三极管Q1、输入限流电阻R1、输出限流电阻R2、脉冲导引二极管D1、反向限幅二极管D2，脉冲变压器X1组成。电路如图12所示。由于电路工作原理与其他脉冲输出电路相同，这里不再赘述。

图10 细调触发脉冲产生电路

图10 细调触发脉冲产生电路

(a)细调脉冲地址处于低位的脉冲状态

(b)细调脉冲地址处于高位的脉冲状态图11 不同细调脉冲地址位置的输出脉冲比较

2.7 A相触发脉冲产生与半波可控制流电路

将前述部分电路合成完整的触发脉冲产生电路并加上半波可控整流主电路，如图13所示。电路采用波段开关手动调节输出电压。电路采用12波段开关是由于仿真元件库缺少能够仿真的8波段开关。

图12 触发脉冲驱动与输出电路

图13 数字移相触发脉冲产生电路控制的半波可控整流主电路

如果把波段开关SW1、SW2的滑动触头位置用二进制代码Q0Q1Q2Q3Q4Q5表示，不同地址码输入的情况下，采用图表模式模拟信号仿真，触发信号波形和整流电路输出波形如图14所示。Q0Q1Q2Q3Q4Q5表示的二进制代码是数控或单片机控制时的地址译码输出值。对应图号为a、b、c……的每组波形由U5(SO)、U3(SO)、R3(2)组成，分别反映了不同地址码产生的触发脉冲的控制角(时间位置)及其对整流输出的控制。U5(SO)：电路输出的触发脉冲波形；U3(SO)：粗调输出脉冲波形；R3(2)：半波整流输出波形。

图14 验证数字移相脉冲发生器的单相半波整流电路波形

3 数据分析与结论

通过输出触发脉冲波形分析，脉冲粗调范围为0°～180°，细调为0°～22.5°，移相范围符合要求；脉冲幅度12 V，波形前后沿陡峭，非常标准。触发脉冲与整流输出信号前沿高度重合，说明同步良好。

测试表明，触发脉冲信号产生容易，稳定可靠，功率大，脉冲宽度、陡度符合晶闸管对触发脉冲的全部要求，同步性能优越，调试简单，完全符合设计预期。

在快充电源中，如果采用单片机控制晶闸管控制角α，则只需根据充电电源的电压要求，计算出控制角α的大小对应的地址代码，输出代码即可。因此，在自动充电系统中，即方便输出电压自动控制，又方便电能计量及后台管理。