TCA785移相控制芯片应用方法的改进

liyf

TCA785移相控制芯片应用方法的改进

摘要：TCA785是德国西门子公司生产的一种性能优秀的移相控制芯片，该器件具有温度适应范围宽，对过零点的识别更加可靠，输出脉冲的整齐度更好，移相范围更宽等优点，此外，由于TCA785的输出脉冲宽度可以手动自由调节，因此，该器件可广泛应用在晶闸管控制系统中。文章根据TCA785芯片的使用特点以及在逆变器实际运用中可能出现的一些问题，提出了一种改进的设计方法。
    关键词：TCA785；移相控制芯片；晶闸管
１　引言
    目前大功率逆变电源的直流部分一般利用三相桥式整流方式来实现，可以采用全控或者不控方式。全控桥式整流主要通过改变晶闸管触发相位的方法来调节直流母线电压的高低，此时需要检测三相交流电压的相位以实现同步触发，这通常必须使用专用的移相控制芯片实现。笔者在研制一台三相工频输入、输出为１１５Ｖ的３０ｋＶＡ舰用４００Ｈｚ中频电源的可控整流部分时，采用ＴＣＡ７８５芯片成功地实现了三相整流桥的移相控制。

２　ＴＣＡ７８５移相控制芯片简介
    ＴＣＡ７８５是德国西门子（Ｓｉｅｍｅｎｓ）公司开发的第三代晶闸管单片移相触发集成电路，与其它芯片相比，ＴＣＡ７８５具有温度适用范围宽，对过零点的识别更加可靠，输出脉冲的整齐度更好，移相范围更宽等优点。另外，由于它输出脉冲的宽度可手动自由调节，所以适用范围更为广泛。
    ＴＣＡ７８５的基本引脚波形如图１所示。其中５脚为外接同步信号端，用于检测交流电压过零点。１０脚为片内产生的同步锯齿波，其斜坡最大及最小值由９、１０两脚的外接电阻与电容决定。通过与１１脚的控制电压相比较，在１５和１４脚可输出同步的脉冲信号，因此，改变１１脚的控制电压，就可以实现移相控制，脉冲的宽度则由１２脚外接电容值决定[1]，当选择双窄脉冲的驱动方式时，１２脚应接１５０ｐＦ电容。实际上，有几十个微秒的脉冲宽度即可使晶闸管正常导通。

３ 使用ＴＣＡ７８５实现相控整流
    实现三相桥式相控整流的一般方法是利用三相同步变压器从电源进线端引入三路同步信号，这样，将同步信号整形后分别输到三片ＴＣＡ７８５（编号为Ａ、Ｂ、Ｃ）的５脚，就能控制６只晶闸管，然后通过引脚复用即可实现双窄脉冲方式驱动。双窄脉冲方式由于驱动脉宽窄，因而可以有效地减小驱动用脉冲变压器的体积，防止磁芯饱和[２]。该方法的主电路及同步变压器如图２所示，三片ＴＣＡ７８５芯片的引脚与所控制的晶闸管的对应关系如表１所列。晶闸管通过一个△／Ｙ型同步变压器为ＴＣＡ７８５提供同步信号，当进线相序（如图２所示）为正序Ａ、Ｂ、Ｃ时，同步变压器的三个输出端所对应的中性点的实际电压向量为ＡＣ、ＢＡ、ＣＢ，将ＡＣ接至ＴＣＡ７８５（Ａ），ＢＡ接至ＴＣＡ７８５（Ｂ），ＣＢ接至ＴＣＡ７８５（Ｃ），即可实现正序输入时晶闸管的同步驱动。现以Ｔ５～Ｔ１换流为例进行分析：Ｔ５至Ｔ１管自然换流点滞后于Ａ相由负到正过零点３０°，即ＴＣＡ７８５（Ａ）的１５脚输出至少应该滞后于该过零点３０°，而电压ＡＣ由负到正过零点正好滞后于Ａ相３０°，因而用ＡＣ作为ＴＣＡ７８５（Ａ）的同步信号就可以实现最大范围的移相控制[３]。
表1 三片TAC785引脚及其对应的晶闸管
TCA785引脚      晶闸管     晶闸管
785（A）15脚      T1         T6
785（C）14脚      T2         T1
785（B）15脚      T3         T2
785（A）14脚      T4         T3
785（C）15脚      T5         T4
785（B）14脚      T6         T5
    其它晶闸管的分析与此类似，即用相应的线电压代替相电压作为同步信号。图３所示是一个周期的驱动时序。从Ａ相的自然换流点开始，上、下桥臂晶闸管驱动顺序分别为：１→１→３→３→５→５→１和６→２→２→４→４→６→６。


４　ＴＣＡ７８５使用中出现的问题
４．１ 电源进线电压的相序问题及解决方法
    实验发现，如果直接利用同步变压器的输出作为同步信号，只能在一种输入相序（正序或者逆序）下工作，一旦输入相序接法改变，整流就不能正常进行。当输入相序为正序时，根据前述接线方法，可以使相控整流正常工作，但是当输入相序变为逆序Ａ、Ｃ、Ｂ时，ＴＣＡ７８５（Ａ）的同步信号变为ＡＢ，ＴＣＡ７８５（Ｂ）的同步信号将变为ＣＡ，ＴＣＡ７８５（Ｃ）的同步信号变为ＢＣ，而芯片的输出与晶闸管的对应关系不变，于是，此时上、下桥臂晶闸管的驱动顺序将分别变为：５→５→３→３→１→１→５和６→４→４→２→２→６→６，而正确的驱动顺序应当为：１→１→５→５→３→３→１和２→６→６→４→４→２→２。可见，实际的驱动顺序比正确的驱动顺序超前１２０°，此时运行就会出现故障。在实验中发现，当输入接成逆序时会出现一相进线没有电流的情况，且装置启动时直流平波电抗器有振动，这在电源输出功率过大时会损坏晶闸管。
    实际上，由于三相全控桥式整流各管可以互换，因此通过改进同步信号获取电路即可做到整流与输入相序无关，从而防止了相序接错损坏晶闸管的问题，同时还可提高调试效率。通过分析发现，当输入为逆序时，接到ＴＣＡ７８５（Ａ）上的同步信号应该是ＢＣ，而接到ＴＣＡ７８５（Ｂ）上的同步信号应该是ＡＢ，ＴＣＡ７８５（Ｃ）上的同步信号应该是ＣＡ，这正好比实际超前了１２０°，因此，如果将同步变压器副方与ＴＣＡ７８５连接改为图４所示电路，并通过６个常开节点的直流继电器将同步变压器与３个ＴＣＡ７８５的同步输入端相连接，３个标为Ｊ１的继电器为一组，３个标为Ｊ２的继电器为一组，每组继电器同时打开或者同时闭合。那么，实现任何输入相序下整流控制电路触发脉冲的正确顺序就只需要使Ｊ１与Ｊ２组中相位滞后１２０°的那一组导通来提供同步信号即可。
    利用单稳态触发器７４１２１和Ｄ触发器可以构成相位鉴别与驱动电路[４]，其电路连接方法如图５所示，图中，接到ＴＣＡ７８５（Ａ）上的两个继电器Ｊ１和Ｊ２的输入端在经过削波、整形后可得到同步信号Ｖ１ 和Ｖ２，这可以通过运算放大器实现。该检测电路各电压波形如图６所示。可以看出，如果用Ｄ触发器的Ｑ端驱动Ｊ１组继电器，而用Ｑ非端驱动Ｊ２组继电器，就可以使ＴＣＡ７８５得到正确的同步信号。应当注意的是：设计时要适当选择７４１２１芯片的Ｒｅｘｔ和Ｃｅｘｔ外接电阻电容的参数，以使７４１２１Ｑ１非引脚低电平状态持续时间小于Ｄ触发器的Ｄ输入引脚的持续时间，同时应小于同步信号周期的１／６。
    由此可见，通过使用继电器选择正确的同步信号，可以实现整流相序的无关性。
４．２ ＴＣＡ７８５的过零点振动问题及解决方法
    三相全控桥式整流进线电流是一种不连续的兔耳状尖峰电流。当电源阻性负载较重（阻性电流大于１５０Ａ）时，由于需要大量的有功功率，因此该尖峰电流峰值较大（如本装置尖峰电流峰值达到１２０Ａ）。尖峰电流在电源进线电阻上会产生一定的压降。该电流产生的压降与输入正弦波叠加后送到同步变压器输入端，可作为同步信号提供给ＴＣＡ７８５芯片。实验发现，该叠加电压在过零点附近存在抖动现象。由于ＴＣＡ７８５对过零点检测极为灵敏，从而导致芯片第１０脚锯齿波斜边也发生抖动，这样，由输出反馈到１１脚的控制电压即使没有改变，ＴＣＡ７８５输出的驱动脉冲也会存在移相，引起的结果是进线电流峰值变化很大，进而在直流平波电抗器上引起强烈的振动，甚至对电网造成冲击。解决的办法是在进线处加上３个电感滤波，以平滑进线电流，滤除谐波。本装置取７５μＨ左右的电感，而同步信号依然从电网侧获取。实验证明：该装置会使电流振动现象消失。
４．３ 同步信号的整形
    从同步变压器过来的信号都是正弦信号，由于ＴＣＡ７８５是利用检测过零点的原理来实现同步的，因此，如果正弦波的幅值过小，那么，就不能提供清晰的过零点，同时，电磁干扰也可能导致过零点检测错误，但是，正弦波的幅值过大又会超过芯片的同步电压输入范围，所以应当将同步信号整形成方波，具体的整形电路如图７所示。
    图７电路主要是通过６８ｋΩ电阻实现限流分压的，并利用Ｄ１、Ｄ２反并限幅（管压降为１Ｖ左右）将以正弦波变为方波。本电源中，同步变压器的变比为５．１／１，副边电压为７５Ｖ，副边电压之所以选得较高，是因为正弦波幅值越高，过零点处的斜率越大，二极管导通越迅速，输出越接近理想方波。但滤波电容Ｃ１不可过大，否则会引起同步信号相位的偏移。
５　结束语
    本文分析了大功率中频电源的三相全控桥式整流电路中的一些实际问题，在该中频电源中，逆变环节采用的是电压型二重化叠加方式，因此，在利用整流环节实现调压时，该环节的稳定工作极为重要。通过实验验证，通过本文所介绍的改进方法，其中频电源工作正常，达到了预定指标。

李小路

谢谢分享！