移相控制芯片應用管理論文

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摘要：TCA785是德國西門子公司生產的一種性能優秀的移相控制芯片，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，移相范圍更寬等優點，此外，由于TCA785的輸出脈沖寬度可以手動自由調節，因此，該器件可廣泛應用在晶閘管控制系統中。文章根據TCA785芯片的使用特點以及在逆變器實際運用中可能出現的一些問題，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，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相位的方法來調節直流母線電壓的高低，此時需要檢測三相交流電壓的相位以實現同步觸發，這通常必須使用專用的移相控制芯片實現。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芯片成功地實現了三相整流橋的移相控制。

2TCA785移相控制芯片簡介

TCA785是德國西門子（Siemens）公司開發的第三代晶閘管單片移相觸發集成電路，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，移相范圍更寬等優點。另外，由于它輸出脈沖的寬度可手動自由調節，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實現相控整流

實現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到三片TCA785（編號為A、B、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），即可實現正序輸入時晶閘管的同步驅動。現以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

TCA785引腳晶閘管晶閘管

785（A）15腳T1T6

785（C）14腳T2T1

785（B）15腳T3T2

785（A）14腳T4T3

785（C）15腳T5T4

785（B）14腳T6T5

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。

4TCA785使用中出現的問題

4．1電源進線電壓的相序問題及解決方法

實驗發現，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，但是當輸入相序變為逆序A、C、B時，TCA785（A）的同步信號變為AB，TCA785（B）的同步信號將變為CA，TCA785（C）的同步信號變為BC，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為：5→5→3→3→1→1→5和6→4→4→2→2→6→6，而正確的驅動順序應當為：1→1→5→5→3→3→1和2→6→6→4→4→2→2。可見，實際的驅動順序比正確的驅動順序超前120°，此時運行就會出現故障。在實驗中發現，當輸入接成逆序時會出現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。通過分析發現，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，實現任何輸入相序下整流控制電路觸發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。

利用單穩態觸發器74121和D觸發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。該檢測電路各電壓波形如圖6所示。可以看出，如果用D觸發器的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，以使74121Q1非引腳低電平狀態持續時間小于D觸發器的D輸入引腳的持續時間，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，可以實現整流相序的無關性。

4．2TCA785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。實驗發現，該疊加電壓在過零點附近存在抖動現象。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。本裝置取75μH左右的電感，而同步信號依然從電網側獲取。實驗證明：該裝置會使電流振動現象消失。

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）將以正弦波變為方波。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，逆變環節采用的是電壓型二重化疊加方式，因此，在利用整流環節實現調壓時，該環節的穩定工作極為重要。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。