一种简约整流电路的设计 - 全文

0 引言
    整流电路是电源的重要组成部分，它可将交流电变为直流电，应用十分广泛。可控硅整流电路广泛应用于机械制造工业和冶金工业中，它不仅要求电源的技术指标高，还要求体积小、重量轻、可靠性高。如果采用可控硅(SCR)作为整流元件，可以通过控制门极触发脉冲的时刻来控制输出电压的大小，这种整流称为可控整流。目前由于SCR能承受的电压，电流容量仍是目前器件中最高的，而且工作可靠，所以许多大容量场合仍大量使用SCR。
    可控硅整流电路中的可控硅是由触发电路提供触发信号而导通的，触发电路的工作性能直接影响着可控硅的工作。因此，触发电路是可控硅电路可靠、有效工作的关键。
    触发电路主要采用两种方法：采用分离元件设计的触发电路存在各相电路分散性大、调试不方便、稳定性和可靠性差等缺点；采用专门集成触发电路芯片设计的触发电路成本高，芯片的质量难以保证。在此利用通用集成电路设计了一种简约整流触发电路，触发三相桥式全控整流电路。

1 电路的拓扑结构
    整流电路的结构如图1所示。

1．1 同步移相电路
    同步移相电路由锯齿波发生器和电压比较器组成。
同步变压器和整流变压器接在同一电源上，用同步变压器的次级电压控制锯齿波的发生器中三极管的导通，从而保证了触发脉冲和主电路电源同步。
    锯齿波与直流电平通过电压比较器比较可得到宽度变化的矩形波。调节电压比较器的输入电压即可改变输出波形的前沿位置，从而达到了移相的目的。
    该设计由LM311构成电压比较器。LM311在使用应注意：电源由0．01μF的瓷片电容旁路；两个输入脚之间接一个100～1 000 pF的电容，以便产生更整齐的比较器输出波形；短接管脚5和管脚6；为滤除和减弱输出信号的震荡，在比较器输出端的上拉电阻两端并接一个容量适当的电容。如图2所示。

1．2 宽脉冲的形成电路
    锁相环与CD4017组成的6倍频电路，是利用分频器实现倍频功能的电路，倍频电路的输出信号频率是输入信号频率的6倍。电路原理图如图3所示。

    6分频器CD4017可输出Q0～Q5六路间隔、脉宽都为60°的脉冲，通过或门关系可得到与之相对应的6路信号，彼此间隔为60°，脉宽为120°的脉冲，波形图如图4所示。

    触发电路根据触发脉冲的宽度有单宽触发和双窄触发。实践证明单宽触发比双窄触发稳定。
    锁相环入锁时，具有“捕捉”信号的能力，可在某一范围内自动跟踪输入信号的变化。若电网频率变化时，锁相环会自动追踪，增强了电路的可靠性。
1．3 脉冲列触发原理
    在触发脉冲装置中，单宽触发一般用光耦隔离，脉冲宽度可得到保持，但光耦需独立电源供电，增加了相应的配套设备；双窄触发一般用脉冲变压器隔离。若单宽用脉冲变压器隔离，会出现过饱和现象。为了避免过饱和现象，采用一高频信号分别和宽脉冲相与，得出与之相对用的6组脉冲信号。
1．4 放大驱动电路
    放大驱动电路是由三极管和脉冲变压器组成。该电路的作用是对6组脉冲信号进行放大隔离，得到具有足够功率、可靠触发可控硅的触发信号。
2 与传统整流电路的比较
    与传统六脉波整流电路相比，此电路的复杂程度很低，如表1所示。

3 实验波形
    图5(a)的波形是同步移相电路中LM311的两个输入端的波形，调节同步移相电路的R3，得到波形较陡的锯齿波；调节R7，可改变它第3脚的输入电平，得到前沿位置的变化的矩形波，从而达到移相的目的，且频率为工频频率50 Hz，如图5(b)所示的信号线1。信号线1输入到6倍频电路中，可得到是对应的倍频波形，即图5(b)所示的信号线2，它的频率是300 Hz，是输入信号1的6倍。

    为了安全，采用峰值为40 V的三相交流电源进行整流。当三相桥式全控整流电路的负载是电阻时，可得到如图6所示的整流波形，可发现每一个周期中整流输出电压波形都由6段线电压组成。图6(a)是控制角α=30°时的整流波形，最大值为40 V；图6(b)是α=60°时的整流波形，此时整流输出电压仍连续。α=60°是整流输出电压连续和断续的临界点，当α>60°时，整流输出电压断续。图6中示波器的参数：CH120．0 V，M5．00ms。

4 结语
    该电路的核心是利用锁相环的倍频原理产生6组触发信号。实验证明，设计的电路结构简单，调试少，元件少，故障少，成本低，经济效益高。若加以完善，会带来很高的社会价值。