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TCA785移相控制芯片應用方法的改進
摘要：TCA785是德國西門子公司生產的一種性能優(yōu)秀的移相控制芯片，該器件具有溫度適應范圍寬，對過零點的識別更加可靠，輸出脈沖的整齊度更好，移相范圍更寬等優(yōu)點，此外，由于TCA785的輸出脈沖寬度可以手動自由調節(jié)，因此，該器件可廣泛應用在晶閘管控制系統(tǒng)中。文章根據(jù)TCA785芯片的使用特點以及在逆變器實際運用中可能出現(xiàn)的一些問題，提出了一種改進的設計方法。關鍵詞：TCA785；移相控制芯片；晶閘管
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)相位的方法來調節(jié)直流母線電壓的高低，(范文先生網(wǎng)www.panasonaic.com收集整理)此時需要檢測三相交流電壓的相位以實現(xiàn)同步觸發(fā)，這通常必須使用專用的移相控制芯片實現(xiàn)。筆者在研制一臺三相工頻輸入、輸出為１１５Ｖ的３０ｋＶＡ艦用４００Ｈｚ中頻電源的可控整流部分時，采用ＴＣＡ７８５芯片成功地實現(xiàn)了三相整流橋的移相控制。
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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，對過零點的識別更加可靠，輸出脈沖的整齊度更好，移相范圍更寬等優(yōu)點。另外，由于它輸出脈沖的寬度可手動自由調節(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腳為外接同步信號端，用于檢測交流電壓過零點。１０腳為片內產生的同步鋸齒波，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，因此，改變１１腳的控制電壓，就可以實現(xiàn)移相控制，脈沖的寬度則由１２腳外接電容值決定[1]，當選擇雙窄脈沖的驅動方式時，１２腳應接１５０ｐＦ電容。實際上，有幾十個微秒的脈沖寬度即可使晶閘管正常導通。
３ 使用ＴＣＡ７８５實現(xiàn)相控整流
實現(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線端引入三路同步信號，這樣，將同步信號整形后分別輸?shù)饺裕茫粒罚福担ň幪枮椋痢ⅲ�、Ｃ）的５腳，就能控制６只晶閘管，然后通過引腳復用即可實現(xiàn)雙窄脈沖方式驅動。雙窄脈沖方式由于驅動脈寬窄，因而可以有效地減小驅動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應關系如表１所列。晶閘管通過一個△／Ｙ型同步變壓器為ＴＣＡ７８５提供同步信號，當進線相序（如圖２所示）為正序Ａ、Ｂ、Ｃ時，同步變壓器的三個輸出端所對應的中性點的實際電壓向量為ＡＣ、ＢＡ、ＣＢ，將ＡＣ接至ＴＣＡ７８５（Ａ），ＢＡ接至ＴＣＡ７８５（Ｂ），ＣＢ接至ＴＣＡ７８５（Ｃ），即可實現(xiàn)正序輸入時晶閘管的同步驅動。現(xiàn)以Ｔ５～Ｔ１換流為例進行分析：Ｔ５至Ｔ１管自然換流點滯后于Ａ相由負到正過零點３０°，即ＴＣＡ７８５（Ａ）的１５腳輸出至少應該滯后于該過零點３０°，而電壓ＡＣ由負到正過零點正好滯后于Ａ相３０°，因而用ＡＣ作為ＴＣＡ７８５（Ａ）的同步信號就可以實現(xiàn)最大范圍的移相控制[３]。
表1 三片TAC785引腳及其對應的晶閘管
其它晶閘管的分析與此類似，即用相應的線電壓代替相電壓作為同步信號。圖３所示是一個周期的驅動時序。從Ａ相的自然換流點開始，上、下橋臂晶閘管驅動順序分別為：１→１→３→３→５→５→１和６→２→２→４→４→６→６。
４ ＴＣＡ７８５使用中出現(xiàn)的問題
４．１ 電源進線電壓的相序問題及解決方法
實驗發(fā)現(xiàn)，如果直接利用同步變壓器的輸出作為同步信號，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，整流就不能正常進行。當輸入相序為正序時，根據(jù)前述接線方法，可以使相控整流正常工作，但是當輸入相序變?yōu)槟嫘颍�、Ｃ、Ｂ時，ＴＣＡ７８５（Ａ）的同步信號變?yōu)椋粒拢裕茫粒罚福担ǎ拢┑耐叫盘枌⒆優(yōu)椋茫�，ＴＣＡ７８５（Ｃ）的同步信號變�(yōu)椋拢�，而芯片的輸出與晶閘管的對應關系不變，于是，此時上、下橋臂晶閘管的驅動順序將分別變?yōu)椋海怠怠场场薄薄岛停丁础础病病丁叮_的驅動順序應當為：１→１→５→５→３→３→１和２→６→６→４→４→２→２�？梢�，實際的驅動順序比正確的驅動順序超前１２０°，此時運行就會出現(xiàn)故障。在實驗中發(fā)現(xiàn)，當輸入接成逆序時會出現(xiàn)一相進線沒有電流的情況，且裝置啟動時直流平波電抗器有振動，這在電源輸出功率過大時會損壞晶閘管。
實際上，由于三相全控橋式整流各管可以互換，因此通過改進同步信號獲取電路即可做到整流與輸入相序無關，從而防止了相序接錯損壞晶閘管的問題，同時還可提高調試效率。通過分析發(fā)現(xiàn)，當輸入為逆序時，接到ＴＣＡ７８５（Ａ）上的同步信號應該是ＢＣ，而接到ＴＣＡ７８５（Ｂ）上的同步信號應該是ＡＢ，ＴＣＡ７８５（Ｃ）上的同步信號應該是ＣＡ，這正好比實際超前了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個常開節(jié)點的直流繼電器將同步變壓器與３個ＴＣＡ７８５的同步輸入端相連接，３個標為Ｊ１的繼電器為一組，３個標為Ｊ２的繼電器為一組，每組繼電器同時打開或者同時閉合。那么，實現(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°的那一組導通來提供同步信號即可。
利用單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器７４１２１和Ｄ觸發(fā)器可以構成相位鑒別與驅動電路[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Ｖ１ 和Ｖ２，這可以通過運算放大器實現(xiàn)。該檢測電路各電壓波形如圖６所示�？梢钥闯�，如果用Ｄ觸發(fā)器的Ｑ端驅動Ｊ１組繼電器，而用Ｑ非端驅動Ｊ２組繼電器，就可以使ＴＣＡ７８５得到正確的同步信號。應當注意的是：設計時要適當選擇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)時間小于Ｄ觸發(fā)器的Ｄ輸入引腳的持續(xù)時間，同時應小于同步信號周期的１／６。
由此可見，通過使用繼電器選擇正確的同步信號，可以實現(xiàn)整流相序的無關性。
４．２ ＴＣＡ７８５的過零點振動問題及解決方法
三相全控橋式整流進線電流是一種不連續(xù)的兔耳狀尖峰電流。當電源阻性負載較重（阻性電流大于１５０Ａ）時，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到１２０Ａ）。尖峰電流在電源進線電阻上會產生一定的壓降。該電流產生的壓降與輸入正弦波疊加后送到同步變壓器輸入端，可作為同步信號提供給ＴＣＡ７８５芯片。實驗發(fā)現(xiàn)，該疊加電壓在過零點附近存在抖動現(xiàn)象。由于ＴＣＡ７８５對過零點檢測極為靈敏，從而導致芯片第１０腳鋸齒波斜邊也發(fā)生抖動，這樣，由輸出反饋到１１腳的控制電壓即使沒有改變，ＴＣＡ７８５輸出的驅動脈沖也會存在移相，引起的結果是進線電流峰值變化很大，進而在直流平波電抗器上引起強烈的振動，甚至對電網(wǎng)造成沖擊。解決的辦法是在進線處加上３個電感濾波，以平滑進線電流，濾除諧波。本裝置�。罚郸蹋茸笥业碾姼�，而同步信號依然從電網(wǎng)側獲取。實驗證明：該裝置會使電流振動現(xiàn)象消失。
４．３ 同步信號的整形
從同步變壓器過來的信號都是正弦信號，由于ＴＣＡ７８５是利用檢測過零點的原理來實現(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，同時，電磁干擾也可能導致過零點檢測錯誤，但是，正弦波的幅值過大又會超過芯片的同步電壓輸入范圍，所以應當將同步信號整形成方波，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，是因為正弦波幅值越高，過零點處的斜率越大，二極管導通越迅速，輸出越接近理想方波。但濾波電容Ｃ１不可過大，否則會引起同步信號相位的偏移。
５ 結束語
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)實現(xiàn)調壓時，該環(huán)節(jié)的穩(wěn)定工作極為重要。通過實驗驗證，通過本文所介紹的改進方法，其中頻電源工作正常，達到了預定指標。
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