串联晶闸管阀组宽频率低压侧触发控制方法及其装置 (一)技术领域
本发明涉及晶闸管技术，具体说就是一种串联晶闸管阀组宽频率低压侧触发控制方法及其装置。
(二)背景技术
在高压大容量电机软起动领域以及大容量无功补偿领域，往往需要使用大量耐压等级较低的晶闸管串联组成晶闸管阀组。晶闸管阀组的关键技术之一是实现阀组内的多个串联晶闸管同时强触发且满足多个串联晶闸管驱动之间以及其与控制低压侧之间的隔离强度。而且这些晶闸管阀组的触发频率并不固定，如在同步电机软起动装置的逆变侧需要变频软起动的时候，晶闸管的触发频率可以从几Hz变化到50Hz，异步电机软起动晶闸管的触发频率为300Hz，而在无功需求变化剧烈(如点焊机等)的场合使用的无功补偿装置的投切频率也是急剧变化的，可以从1Hz以下快速变化到几百Hz。现有的技术通常使用脉冲变压器产生强触发脉冲来实现多个串联晶闸管的同时触发，这需要良好的输入电压同步性，在串联的晶闸管数量较少的情况下，可以把脉冲变压器串联使用，脉冲变压器的原边使用同一个电源供电，控制与电源串联的功率管的导通来实现脉冲变压器的同步，这种方法输出的脉冲上升时间往往达不到晶闸管强触发的要求，而且在需要的脉冲路数增加时，对功率管的功率要求大大增加，此外高、低压侧的电气隔离问题也很难解决。而且脉冲变压器在价格可以接受的范围内很难达到很高的隔离等级，脉冲变压器还有伏微秒积的限制，容易饱和，触发频率不能达到很高，触发脉冲个数也不能太多。还有一种方法是文献《新型多路输出高压隔离电源及其在短路限流器中的应用》中提到的，是使用高压电缆穿过多个磁环，高压电缆通过高频交变电流，这根高压电缆作为多个磁环变压器的一匝原边将能量耦合到磁环副边，副边经过变换得到稳定的电压源，这样得到的电压源是多路隔离的。再用这些隔离的电压源驱动脉冲变压器，这些脉冲变压器的触发信号来自于多路光纤。这种触发模式比较复杂，故障率高。
美国专利《METHOD AND CIRCUIT FOR CONTROLLINGCURRENT IN HIGH PRESSURE DISCHARGE LAMP》中提到的电路拓扑，全桥是一直处于交变模式的，与我们的控制方式完全不同，且应用的领域也大不一样。
文献《Firing Series SCRs at Medium Voltage：Understanding theTopologies Ensures the Optimum Gate Drive Selection》中提出了六种触发晶闸管阀组的方法。方法Type Ia用电压源触发，只能发出单个触发脉冲；方法Type Ib用电压源触发，能提供多个触发脉冲，但占空比有限制，触发电路复杂，而且容易出现误触发；方法Type IIa用多个变压器得到多路隔离电压源，再使用多路光纤传输触发信号，控制开关管的开关触发晶闸管。此种方法的高低压隔离强度难以保证，且每只晶闸管需要一根光纤；方法Type IIb用半桥得到交变电流源，经过磁环副边耦合，在副边控制开关管的开通关断来控制触发脉冲。这种触发方式每只晶闸管需要一根光纤，电路复杂，故障点多；方法Type IIIa使用光控晶闸管，但是这种晶闸管有其应用上的限制；方法Type IIIb使用门极自供电驱动晶闸管，储能电容需要一定的时间，当晶闸管长时间导通，则自供电系统的供电就成为大的问题，而且每只晶闸管需要一根光纤。
(三)发明内容
本发明的目的在于提供一种采用幅值恒定的直流电流和幅值恒定的高频交变方波电流之间无缝转换、确保第一个触发脉冲前沿、触发脉冲输出路数可以方便调整的串联晶闸管阀组宽频率低压侧触发控制方法及其装置。
本发明的目的是这样实现的：所述的串联晶闸管阀组宽频率低压侧触发控制装置，它是由电流源电路、晶闸管电路、输出母线和磁环变压器组成的，电流源电路连接晶闸管电路，晶闸管电路连接输出母线，输出母线连接磁环变压器。
本发明串联晶闸管阀组宽频率低压侧触发控制装置，还有以下技术特征：
(1)所述的电流源电路包括BUCK恒流和恒流控制电路，BUCK恒流连接恒流控制电路。
(2)所述的BUCK恒流和恒流控制电路，其控制电路采用PWM专用控制芯片SG3525，MOSFET驱动采用IR2110。
(3)所述的晶闸管电路包括电流型全桥逆变器、晶闸管触发信号处理电路和全桥驱动电路，晶闸管触发信号处理电路连接电流型全桥逆变器，电流型全桥逆变器连接全桥驱动电路。
(4)所述的磁环变压器的原边连接输出母线，磁环变压器的副边连接晶闸管触发电路。
本发明一种串联晶闸管阀组宽频率低压侧触发控制方法，提供一种输出电流模式可灵活变化的电流源，当晶闸管不需要触发时，电流源输出母线上输出电流幅值恒定的直流电流；当晶闸管需要触发时，电流源输出母线上输出幅值恒定的交变电流，母线上的磁环副边用来触发晶闸管；触发信号在低压侧给出，不用在高压侧各路都给出触发信号，电流源的交直流模式转换频率可以从1Hz以下调节到几百Hz。
本发明具有如下优点：触发晶闸管阀组的频率可以从1Hz以下到几百Hz快速方便的变化，取决于外部投切信号的切换频率。第一个触发脉冲严格满足晶闸管串联方式对门极触发脉冲电流的要求，即“靠背椅”形状。晶闸管触发采用脉冲串方式，脉冲串的个数可以灵活控制，且脉冲幅值没有明显的衰减。本发明中由于采用幅值恒定的直流电流和幅值恒定的高频交变方波电流之间无缝转换，确保了第一个触发脉冲的前沿。门极触发电流同时性非常高。晶闸管的触发信号发出后，全桥工作在交变模式，母线上产生交变电流，磁环变压器副边的多路强触发脉冲电流几乎无延时(≤1us)地产生。在满足高低压侧之间绝缘强度要求的同时，可实现多组共用同一磁环，可以实现能量的高效耦合。触发脉冲输出路数可以方便调整，各路之间、高低压侧之间绝缘强度足够高。相比其它触发方式更加可靠。控制电路和磁环副边电路结构简单，成本低廉。
(四)附图说明
图1为本发明的电流源结构方框图；
图2为本发明的电流源主电路原理图；
图3为本发明的BUCK恒流控制电路图；
图4为本发明的晶闸管触发信号处理电路；
图5为本发明的全桥驱动电路；
图6为本发明的全桥变换器交/直流电流无缝隙转换示意图；
图7为本发明的触发频率4Hz时的触发信号和母线电流波形；
图8为本发明的触发频率50Hz时的触发信号和母线电流波形；
图9为本发明的触发频率100Hz时的触发信号和母线电流波形、；
图10为本发明的触发频率300Hz时的触发信号和母线电流波形。
(五)具体实施方式
下面结合附图举例对本发明作进一步说明。
实施例1：结合图1---图5，本发明一种串联晶闸管阀组宽频率低压侧触发控制装置，它是由电流源电路、晶闸管电路、输出母线和磁环变压器组成的，电流源电路连接晶闸管电路，晶闸管电路连接输出母线，输出母线连接磁环变压器。
本发明串联晶闸管阀组宽频率低压侧触发控制装置，还有以下技术特征：
所述的电流源电路包括BUCK恒流和恒流控制电路，BUCK恒流连接恒流控制电路。
所述的BUCK恒流和恒流控制电路，其控制电路采用PWM专用控制芯片SG3525，MOSFET驱动采用IR2110。
所述的晶闸管电路包括电流型全桥逆变器、晶闸管触发信号处理电路和全桥驱动电路，晶闸管触发信号处理电路连接电流型全桥逆变器，电流型全桥逆变器连接全桥驱动电路。
所述的磁环变压器的原边连接输出母线，磁环变压器的副边连接晶闸管触发电路。
本发明一种串联晶闸管阀组宽频率低压侧触发控制方法，提供一种输出电流模式可灵活变化的电流源，当晶闸管不需要触发时，电流源输出母线上输出电流幅值恒定的直流电流；当晶闸管需要触发时，电流源输出母线上输出幅值恒定的交变电流，母线上的磁环副边用来触发晶闸管；触发信号在低压侧给出，不用在高压侧各路都给出触发信号，电流源的交直流模式转换频率可以从1Hz以下调节到几百Hz。
实施例2：结合图1-图10，图1为本发明的电流源结构方框图，220V电压经过EMI滤波器，再经过整流滤波得到脉动较小的直流电压。利用BUCK电路将电流恒定在设定值。全桥电路将BUCK电路得到的恒定直流电流交变，由高压电缆输出，得到高频交变的方波电流。高压电缆上面串联多个磁环，磁环副边经过简单整形驱动晶闸管。各个晶闸管与控制电路之间的隔离强度由高压电缆的绝缘强度决定。在主电路中加入AC/DC模块，得到15V电源给控制电路供电。BUCK变换器的驱动电路和全桥控制电路分离开，保证可靠工作。
图2为电流源主电路原理图。交流220V经过整流滤波得到接近直流的电压，在经过BUCK变换器的恒流调节，电感L1输出的是纹波很小、幅值恒定的直流，全桥变换器正常工作时，对角臂开关管交替导通，高压电缆上输出的是幅值恒定的交变方波电流，通过磁环变压器作用，磁环副边产生和原边同频率的交变方波电流，幅值由磁环和副边匝数决定。副边经过简单的整流处理后可以把交变电流的负向电流去掉，得到50％占空比的电流方波，用以驱动晶闸管。实验得到的晶闸管驱动波形上升时间在1us内，幅值和电流上升率以及脉冲持续时间完全满足晶闸管的强触发要求。在外部没有触发指令时，该电路的全桥工作在一个对角臂(Q1和Q4)直通的状态，母线上的电流为恒定幅值的直流，磁环副边没有耦合过去能量，晶闸管不触发。在母线上的电流由交流模式变为直流模式时，由于直流电流在磁环副边没有能量耦合，此时电路中的负载有变化，电流有调节时间，因此为了获得更高的交直流模式转换频率，可以加大图中假负载R的阻值。实验中R为5欧姆，恒定电流幅值为3A时，转换频率能达到300Hz。
图3为BUCK变换器的恒流控制电路图。控制电路采用PWM专用控制芯片SG3525，MOSFET驱动采用IR2110。R1上的电压经过滤波处理后作为电流采样输入到控制电路，经过SG3525的反馈控制调节Q5的占空比，IR2110将SG3525的输出进行隔离，增大驱动能力。IR2110的输出接开关管Q5。当主电路中电流超过设定值时，R1上的电压变大，通过控制电路的调节作用，Q5的占空比减小，电流下降。反之，Q5的占空比增大，这是一个动态的调节过程。
图4是晶闸管触发信号的处理电路。当检测到晶闸管触发指令(15V高电平信号)后，7555的4脚接收到这个高电平信号，开始振荡产生高频方波，这个方波经过反向得到另一路互补的高频方波。这两路方波接到两片IR2110上，用以驱动全桥的4个开关管。两个IR2110的接口电路为图5所示。
图5为全桥的驱动电路，开关管Q1的驱动由图示G1和S1提供，开关管Q4的驱动由G4和POWGND提供。开关管Q1和Q4驱动波形是一致的。开关管Q2的驱动由G2和S2提供，开关管Q3的驱动由G3和POWGND提供，Q2和Q3的驱动波形一致，而Q1和Q2驱动互补。当CTRL信号为高电平时，7555振荡，Q1、Q4对角臂以及Q2、Q3对角臂交替导通，高压电缆上的电流为交变电流，磁环副边输出强触发脉冲列。当系统检测到晶闸管需要关断时，控制信号CTRL为低电平，7555输出禁止，VO为低电平，经过反向器后为高电平，这时候Q1和Q4的驱动为100％占空比的高电平，因此该对角臂直通，Q2和Q4关断。高压电缆上输出为纹波很小的直流电流，幅值和全桥交替导通时产生的交变电流幅值一样，纹波很小的直流电流在磁环副边不会产生触发脉冲，这时候晶闸管自然关断。因此这个控制电路只需要一个输入信号即晶闸管的导通/关断控制信号，就可以控制晶闸管的串联强触发。
高压电缆上串联多个磁环，磁环副边经过简单的整流去掉交变电流的负向部分，然后通过限流电阻接至晶闸管门极。此电路若用来驱动高压晶闸管需要大的触发电流时，可以适当增加磁环原边电流。控制电路上的15V电源可以在主电路中加上一个AC/DC模块得到。
图6为外部触发信号和高压电缆中流过的电流之间的波形关系图，当外部触发信号为低电平时，主电路中流过的是幅值恒定的直流电流，仅有微小纹波，在电缆上串联的磁环副边不能感应出电流。当外部触发信号为高电平(15V)时，主电路中流过的是幅值恒定但是高频交变的方波电流。由于采用MOSFET开关管，开关速度很快，电流上升时间小于1微秒。而且由于电流在触发信号高电平到来之前已经建立，所以电流由直流变为交流在幅值上不存在变化的问题，实现了电流无缝变换，实时性非常好。
图7是触发信号为4Hz时电流源母线上的电流波形。CH1为电流波形，CH2为触发信号。从图上可以看到触发信号为高时，电流为交流方波，触发信号为低时，电流为直流。
图8是触发信号为50Hz时电流源母线上的电流波形。CH1为电流波形，CH2为触发信号，CH3为母线上磁环副边的电流波形。从图上可以看到触发信号为高时，电流为交流方波，触发信号为低时，电流为直流。图中可以看出母线上电流从交流变为直流时电流会有调节过程，但是在磁环副边不会产生耦合能量。
图9是触发信号为100Hz时电流源母线上的电流波形。CH1为电流波形，CH2为触发信号，CH3为母线上磁环副边的电流波形。从图上可以看到触发信号为高时，电流为交流方波，触发信号为低时，电流为直流。
图10是触发信号为300Hz时电流源母线上的电流波形。CH1为电流波形，CH2为触发信号，CH3为母线上磁环副边的电流波形。从图中可以看出此时的电流调节时间和超调已经很明显了，但是在磁环副边仍然没有造成误触发。通过对BUCK电路闭环参数的改进，以及加大图2中假负载R的阻值可以改善母线上电流的超调情况。
实施例3：本发明一种串联晶闸管阀组宽频率低压侧触发控制方法，提供一种输出电流模式可灵活变化的电流源，其特点如下：
(1)采用电流源触发晶闸管，由于晶闸管为电流触发器件，相对于电压源触发方式，所需的电流小，损耗也小，可靠性增加，也方便实现。采用电流源触发方式，副边匝数少，副边之间的绝缘容易处理。采用磁环变压器，一个磁环上可以有多个副边，路数可方便增减，每个副边之间可以用绝缘材料进行有效的绝缘保护。如果采用电压源方式触发晶闸管，电压转化为电流因受回路电感的限制，电流的建立需要时间，为了缩短电流的建立时间，实现晶闸管阀组的强触发，电压源的电压往往要做得很高，这样虽然满足了强触发要求，但稳态触发电流会很大，远远超过晶闸管的门极触发最大电流，解决此问题只能通过电压源变输出方式来实现，即强触发时采用高压电源，稳态时采用低压电源。如果仅用一种电源，则只能牺牲强触发，即不具备强触发功能，这对晶闸管阀组的可靠工作是非常不利的。而电流源方式不存在电流的建立过程，只存在交直流转换时的电流超调，确保了触发脉冲电流的前沿陡度和强触发要求，即晶闸管门极触发电流的“靠背椅”形状。因此，电流源方式实现晶闸管门极触发电流的“靠背椅”形状非常容易，而电压源方式实现晶闸管门极触发电流的“靠背椅”形状非常困难。
(2)现有的技术通常使用脉冲变压器产生强触发脉冲来实现多个串联晶闸管的同时触发，这需要良好的输入电压同步性，在串联的晶闸管数量较少的情况下，可以把脉冲变压器串联使用，脉冲变压器的原边使用同一个电源供电，控制与电源串联的三极管的导通来实现脉冲变压器的同步，这种方法输出的脉冲上升时间往往达不到晶闸管强触发的要求，而且在需要的脉冲路数增加时，对三极管的功率要求大大增加，此外高、低压侧的电气隔离问题也很难解决。而且脉冲变压器在价格可以接受的范围内很难达到很高的隔离等级，脉冲变压器还有伏微秒积的限制，容易饱和，触发频率不能达到很高，触发脉冲个数也不能太多。另一种实现多路高压隔离输出的方法是使用高压电缆穿过多个磁环，高压电缆通过高频交变电流，这根高压电缆作为多个磁环变压器的一匝原边将能量耦合到变压器副边作为驱动能量，高压电缆的隔离强度决定了各个磁环变压器之间的绝缘强度。这种触发模式能输出多个幅值相近的脉冲串，没有伏微秒积的限制，触发频率可达到数百Hz，脉冲串中的脉冲个数也能灵活控制。