对晶闸管自供电门极驱动技术的研究
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摘要：中压场合晶闸管的触发装置与低压情况不同，隔离更加困难，由于晶闸管的阴极电位可能非常高，传统触发装置所必需的直流电源较难实现。晶闸管自供电门极驱动器能很好的解决该问题。它利用耦合取能原理，在晶闸管关断的时段积蓄并保持能量，在触发命令下利用存储的能量独自打开晶闸管。它自成模块，省去了独立的电源板或辅助供电版，节省了空间，降低了成本。实验证明该驱动器效果理想，有广阔的发展前景。
1引言
近年来，中压变频驱动器和交流电动机软起动器的应用日益增加，这大大推动了SCR门极触发装置的发展。中压设备中晶闸管控制触发电路的设计与低压设备不同，低压设备中晶闸管控制触发的设计比较关键的部分是设计隔离变压器，此变压器不仅起到了控制触发晶闸管的作用，同时也起到了信号隔离的作用，它能将控制电路信号与主电路信号隔离，防止主电路对控制电路的信号干扰。但此变压器在中压软起动设计中，就很难实现，最主要的原因也就是它的信号隔离作用很不理想，绝缘等级不够高，电磁干扰也较大。于是人们着手研究中压晶闸管阀行之有效的触发隔离方式。从目前的研究水平来看，用光纤触发晶闸管并起到电气隔离的作用是一种相当不错的选择。很多人已经开始重视光纤的发展前途，并设计了一些应用电路。但还有一个关键问题一直解决得不够完善，即：在光纤的接受端需要一个+5V的直流电源，这个电源的地端与晶闸管的阴极等电位,而晶闸管的阴极电位可能非常高，甚至达到上万伏。虽然主电路的电压可以很高，但要得到一个稳定的5V直流电源并不容易，采用高耐压等级的隔离变压器,不仅制造困难,而且成本高，很不划算，此时晶闸管自供电门极驱动（SSGD）技术进入了人们的视线。它基于耦合取能的原理，并使得晶闸管触发控制的设计中不再需要独立的电源板或辅助供电板。应用SSGD的最大好处就是SSGD自成模块，它降低了中压软起动设备的制造费用，同时也大量的节省了空间，另外SSGD的应用也解决了中压设备中信号难于隔离的问题，因而有广阔的发展前景。
2SSGD技术的原理
2.1一般的耦合取能电路
SSGD技术基于耦合取能原理，一般的耦合取能电路如图所示。
如图1所示，V1为主晶闸管,、构成与晶闸管并联的阻容吸收回路，XF为限幅电路。当晶闸管V1处于正向阻断时,电流为正向,向电容、充电。当电容的端电压超过限幅值时,限幅电路动作，V3二极管截止，停止给充电。电容的端电压保持为限幅值,把电容的储能可以用作触发系统的工作电源；触发晶闸管V1时,电容通过V1的门极放电；晶闸管V1处于反向阻断时,为负向，V2构成旁通支路,电容被反向充电；当晶闸管V1再次处于正向阻断时,电容已带有下正上负的电荷,有助于电容被更快地充电。如此循环往复。由于取能电路的等效阻抗为容性,并且远小于缓冲电路阻抗，这样既不影响阻容吸收,又能耦合取能。
2.2改进的耦合取能电路
实际当中如果触发角很小，晶闸管导通角变大，此时储能电容上储存的能量就很少了，如果晶闸管一直处于导通状态,则晶闸管两端的电压只能到2V左右，充到储能电容上的电压就更低,这显然达不到要求。
为此，将一般的耦合取能电路进行改进，得到了下面的改进的耦合取能电路。
与一般的耦合取能电路相比，在主电路中串联一个电流变压器。主电路处于截止状态时，由，进行电压耦合取能，为触发电路提供电源。主电路导通之后，晶闸管上的压降很低，不能再进行电压取能，在这种状态下耦合取能的任务由电流变压器来接替，进行电流耦合取能。当储能电容器上的电压达到一定的幅值，则限幅电路动作，三极管VT导通，储能过程停止，以防止上的电压过高。晶闸管只有导通和截止两种工作状态：在截止时由电容进行电压耦合取能；导通时由电感进行电流耦合取能，以此保证触发电路在任何状态下都能正常工作，完成触发任务。另外，耦合取能电路得到的电源纹波比较大，电压值也不能保证，不能直接用来给后续电路供电，需要进行滤波和稳压。
2.3SSGD作为晶闸管触发装置的原理
SSGD自成模块，典型的晶闸管自供电门极驱动模块如下图所示：
首先介绍SSGD应用在单个晶闸管的情况。
SSGD在单个晶闸管中应用的电路拓扑结构如图4所示,对电路的分析可以根据晶闸管的开关状态分为以下两种情况：
2.3.1晶闸管关断的时候
当正弦电源的正半周波加在晶闸管上时，如图所示，电流通过缓冲电阻和缓冲电容给储能电容充电，直到上的电压大于稳压二极管的截断电压，这时晶闸管被打开，电流从流走，上的电压保持限幅值。
2.3.2晶闸管开通的时候
当控制信号控制晶闸管开通的时候，SSGD模块内部控制开关接通，放电，如图3所示，给晶闸管门极一个触发信号，使晶闸管开通。实际上，控制信号是由CPU发出的电信号转换为光信号，这一光信号再控制SSGD模块中开关接通，这样控制电路与主电路之间就没有了电的联系，从而实现了信号隔离。
下面进一步看一下SSGD在反并联晶闸管场合的应用。
下面简单分析一下电路原理。
(1)CQ1上的初始电荷的积累过程(以CQ1为例说明)
当正弦电源电压正半周波加在晶闸管上且两个晶闸管都处于关断状态时，电流通过RS、CS、Cg1，给储能电容CQ1充电，这时就积累了储能电容Cq1上的初始电荷。
(2)当SCR1、SCR2有一个开通时（以SCR2开通为例说明）
当控制信号控制晶闸管SCR2开通，这时SSGD2模块中的开关闭合，积蓄在储能电容CQ2上的能量放电，给晶闸管SCR2门极一个触发信号，SCR2开通。缓冲电容CS通过RS、Cg1放电，给储能电容Cg1充电，如果储能电容Cg1上的电压超过稳压二极管的截断电压，这时就触发了晶闸管SCRo1，电流通过SCRo1，这也是一种为储能电容Cg1充电的情况。
(3)当SCR1、SCR2都关断时
与（1）中类似，电流通过RS、CS、Cg1，给储能电容Cg1充电，当储能电容上的电压超过稳压二极管的截断电压时，触发晶闸管SCRo1，电流从流过。
3实验设计及结果
设计晶闸管自供电门极驱动电路板用于触发反并联晶闸管，中压电机软启动所用的交流调压电路拓扑就是反并联晶闸管，由于是三相电路，总共要触发6只晶闸管。
选取合适的电路元件参数，吸收回路的参数可按经验公式算出，再考虑储能电容的影响，不难算出实际有效的缓冲电容值为：
储能电容Cg1和Cg2的值要远大于CS以产生R-C缓冲电路的性能，设计过程必须考虑到储能电容上的电压降。
设计的电路原理图如下：
绘制PCB电路板，作相关实验，晶闸管触发角为90°。考虑了光耦和光纤两套触发方案，采用选择开关可对触发方式进行选择，得出以下实验波形。
每个储能电容初始电荷的积累是靠晶闸管正向关段期间电源对其充电实现的。若两管均关断时，也是靠电源对其充电得到的。若是只有一管关断，另一管开通，此时主要是靠缓冲电容放电实现储能。
从实验波形可以看出，晶闸管门极自控驱动器实际工作效果还是比较理想的，在一定的触发角条件下电容耦合取能足以有效打开晶闸管。
4结论
晶闸管自供电门极驱动器可以省去独立的电源板或辅助供电板，它降低了中压晶闸管触发设备的制造费用，同时也大量的节省了空间，另外SSGD的最大好处就是它自成模块，同时解决了中压设备中信号难于隔离的问题。通过实验证明了晶闸管门极自控驱动器触发晶闸管系统的可行性，实验波形理想，该技术拥有广阔的发展前景。
