張偉東

新疆新聞出版廣電局633臺(tái) 新疆 阿勒泰市 836500

DX200發(fā)射機(jī)可控硅全控整流保護(hù)電路分析

張偉東

新疆新聞出版廣電局633臺(tái) 新疆 阿勒泰市 836500

美國(guó)Harris公司生產(chǎn)的全固態(tài)數(shù)字調(diào)制中波廣播200KW發(fā)射機(jī)的250V直流電源整流部分采用三相可控硅整流（SCR），可控硅整流有諸多優(yōu)點(diǎn)，但存在熱時(shí)間常數(shù)小、過(guò)電流和過(guò)電壓能力差等弱點(diǎn)。為有效保護(hù)可控硅正常運(yùn)行，提供穩(wěn)定的整流電壓，DX200發(fā)射機(jī)設(shè)計(jì)了保護(hù)電路，本文就保護(hù)電路和可控硅元器件保護(hù)措施進(jìn)行分析。

可控硅 整流 比較器 浪涌

引 言

DX200發(fā)射機(jī)是美國(guó)Harris公司生產(chǎn)的全固態(tài)數(shù)字調(diào)制中波廣播發(fā)射機(jī)，該發(fā)射機(jī)的250V直流電源整流部分采用三相可控硅整流（SCR）?？煽毓枋且环N可控的單向?qū)щ婇_(kāi)關(guān)，能用于強(qiáng)電控制的大功率半導(dǎo)體器件，它能在弱電信號(hào)的作用下，可靠地控制強(qiáng)電系統(tǒng)的各種電路?？煽毓杈哂心芡ㄟ^(guò)大電流、耐高壓、反應(yīng)快、控制特性好、體積小、重量輕和使用維護(hù)方便等特點(diǎn)。但與其它電子器件相比，由于該元件的擊穿電壓接近運(yùn)行電壓，熱時(shí)間常數(shù)小，因此過(guò)電流、過(guò)電壓能力差，短時(shí)間的過(guò)電流、過(guò)電壓都可能造成元件損壞。為使可控硅整流裝置能正常工作而不損壞，除了合理選擇元件外，還必須采取相應(yīng)的保護(hù)措施。對(duì)負(fù)載而言，可控硅整流輸出電壓主要供給發(fā)射機(jī)功放模塊，輸出電壓的穩(wěn)定性直接影響功放模塊的安全和發(fā)射機(jī)電聲指標(biāo)的優(yōu)劣。因此，在可控硅整流裝置中，必須采取可靠完善的保護(hù)措施。DX200KW發(fā)射機(jī)中可控硅保護(hù)措施主要有兩類：過(guò)電流保護(hù)和過(guò)電壓保護(hù)。這兩類保護(hù)措施在DX200KW發(fā)射機(jī)中以不同的具體電路形式完成對(duì)可控硅整流器件的保護(hù)，本文對(duì)DX200KW發(fā)射機(jī)的可控硅全控整流橋保護(hù)線路工作原理進(jìn)行分析，其保護(hù)電路如圖1所示。

圖1 DX200發(fā)射機(jī)可控硅三相全控整流保護(hù)電路

1 可控硅整流器交流側(cè)過(guò)電流保護(hù)電路

1.1 交流側(cè)產(chǎn)生過(guò)電流的主要原因

（1）整流電路過(guò)載。一般是由于電網(wǎng)電壓升高或負(fù)載變動(dòng)引發(fā)。

（2）整流輸出端短路。一般是直流負(fù)載發(fā)生故障，例如負(fù)載的絕緣閃絡(luò)或擊穿等。

（3）可控硅元件擊穿。當(dāng)整流電路一個(gè)橋臂的可控硅因反向擊穿，使相鄰橋臂的可控硅直接跨接在交流電源上，造成電源短路。

（4）可控硅元件誤導(dǎo)通。造成誤導(dǎo)通的原因有：①可控硅控制極受到干擾信號(hào)誤觸發(fā)而導(dǎo)通；②加到可控硅的電壓上升過(guò)大，由于可控硅的誤導(dǎo)通，導(dǎo)通角增大，直流電壓升高，引起過(guò)電流。

圖1中，電流互感器T1和二極管整流橋CR1組成電流檢測(cè)取樣電路，該電路用來(lái)得到一個(gè)能反映交流電流大小的電壓信號(hào)。采用電流互感器可使檢測(cè)電路與主電路隔離。過(guò)流保護(hù)原理為，當(dāng)負(fù)載電流增大時(shí)，交流負(fù)載電流相應(yīng)增大，檢測(cè)電路輸出取樣電壓也隨之增大。取樣值通過(guò)電源控制板的J1-3和J1-6送至緩沖放大器U1-7，再經(jīng)U2-7積分放大器處理后與過(guò)電壓取樣信號(hào)匯合，送U3-8進(jìn)行預(yù)失真處理。二極管CR8具有非線性伏安特性，該電路利用這一特性對(duì)U3-8中的電壓信號(hào)進(jìn)行預(yù)失真處理。Q1、Q2用來(lái)補(bǔ)償取樣整流電路輸出電壓與可控硅整流器導(dǎo)通角相位之間的關(guān)系。處理后的信號(hào)電壓經(jīng)J4-12送到可控硅啟動(dòng)板，控制可控硅的導(dǎo)通角，可控硅整流器的輸出電壓得到調(diào)整。

當(dāng)電流超過(guò)可控硅整流器的調(diào)節(jié)范圍時(shí)，緩沖放大器U1-7輸出電壓送至U6-1和U6-7處理，再分別送至過(guò)流閾值比較器U12-2和U12-1，閾值比較器U12-2檢測(cè)平均電流越限故障，U12-1檢測(cè)峰值電流越限故障。當(dāng)取樣電流值超出過(guò)流比較器U12的容限值，比較器輸出一個(gè)電流故障信號(hào)關(guān)閉可控硅整流器電源。

2 直流側(cè)過(guò)電壓保護(hù)電路

可控硅直流輸出端過(guò)電壓的主要原因是感性負(fù)載電路的開(kāi)閉以及電源側(cè)或負(fù)載側(cè)侵入的浪涌電壓。

圖1中，可控硅整流器250V電壓取樣信號(hào)取自250V輸出端，250V經(jīng)R11和R12電阻降壓隔離后加到電源控制板的J1-7和J1-8腳。過(guò)電壓保護(hù)電路和過(guò)電流保護(hù)電路原理相同，當(dāng)負(fù)載上250V電壓升高時(shí)，取樣電路R11和R12輸出電壓隨之升高。取樣值通過(guò)電源控制板的J1-7和J1-8送至緩沖放大器U1-1，再經(jīng)U2-14積分放大器處理后與過(guò)電流取樣信號(hào)匯合，送U3-7放大后送U3-8進(jìn)行預(yù)失真處理。處理后的信號(hào)電壓經(jīng)J4-12送到可控硅啟動(dòng)板，控制可控硅的導(dǎo)通角，調(diào)整可控硅整流器的輸出電壓。

當(dāng)輸出電壓超過(guò)可控硅整流器的調(diào)節(jié)范圍時(shí)，即取樣電壓值超出過(guò)電壓窗口比較器U5-1和U5-2的容限值，該比較器輸出一個(gè)250V故障信號(hào)關(guān)閉可控硅整流器電源。

250V輸出端并接一只二極管Q7的作用為，當(dāng)負(fù)載中有感性成分時(shí)，在可控硅導(dǎo)通角減小到零或突然把觸發(fā)電路切斷時(shí)或當(dāng)可控整流橋接入感性負(fù)載時(shí)，由于電感電流不能突變，在可控硅關(guān)斷期內(nèi)，必須在負(fù)載兩端接入續(xù)流二極管以保持電感電流的通路，防止可控硅關(guān)斷時(shí)，在電感負(fù)載兩端產(chǎn)生危險(xiǎn)的過(guò)電壓和可控硅換相導(dǎo)通。當(dāng)可控硅的控制角大于60度，輸出電壓波形會(huì)出現(xiàn)負(fù)值，輸出電流出現(xiàn)斷續(xù)，可控硅會(huì)出現(xiàn)失控現(xiàn)象。有了Q7后當(dāng)電源電壓降到零時(shí)，負(fù)載電流流經(jīng)Q7給感性負(fù)載提供電流，續(xù)流期間可控硅因反向電壓而關(guān)斷，失控現(xiàn)象被消除。并接二極管Q7還可以提高整流電源變壓器的功率因數(shù)。

3 浪涌保護(hù)電路

除上述保護(hù)電路外，DX200KW發(fā)射機(jī)可控硅三相橋式整流線路中還有一套重要的保護(hù)裝置即浪涌保護(hù)器。浪涌保護(hù)器由R4～R9、C1～C6、RV1～RV6組成，其中RV1～RV6為壓敏電阻，如圖1所示。該保護(hù)器中的電路，以不同的組合形式對(duì)可控硅整流元件、可控硅交流輸入端和可控硅直流輸出端提供保護(hù)。

3.1 可控硅交流輸入端的過(guò)電壓保護(hù)

交流側(cè)過(guò)電壓的原因有：（1）變壓器初級(jí)的斷開(kāi)與合閘所引起的過(guò)渡過(guò)程，在次級(jí)產(chǎn)生過(guò)電壓。（2）當(dāng)供電電網(wǎng)遭到雷擊時(shí)，雷擊電壓侵入整流裝置，產(chǎn)生偶然性的浪涌電壓。

這兩種過(guò)電壓都屬于短時(shí)的尖峰電壓。當(dāng)尖峰電壓幅值不是很大時(shí)，在三相輸入線路之間并接阻容吸收電路進(jìn)行抑制，電路形式與可控硅整流元件阻容吸收電路相同。不同之處是電阻和電容數(shù)目增多，例如，A-B相之間阻容吸收電路由R4、R5、R7、R8、C1、C2、C4、C5通過(guò)電路串并聯(lián)后組成，其值與單只電阻、電容構(gòu)成的吸收電路相同。當(dāng)尖峰電壓幅值很大時(shí)，過(guò)電壓能量較大，持續(xù)時(shí)間較長(zhǎng)，阻容吸收電路已經(jīng)不能完全抑制，這種情況下采用壓敏電阻器件抑制過(guò)電壓并吸收較大的能量。

3.2 可控硅整流元件的保護(hù)

在可控硅關(guān)斷瞬間，由于負(fù)載中感性部分釋放能量，會(huì)出現(xiàn)反向電壓尖峰，既關(guān)斷過(guò)電壓。可控硅的過(guò)電壓能力差，當(dāng)元件承受的反向電壓超過(guò)其反向擊穿電壓，即使時(shí)間很短，也會(huì)使元件反向擊穿損壞。保護(hù)的方法是在可控硅的兩端，并接電容和電阻吸收電路。C1～C6的作用是利用電容的二端電壓瞬時(shí)不能突變的原理，把尖峰過(guò)電壓吸收掉。R4～R9的作用是：①阻尼LC電路震蕩。由于電路總有電感L存在，在可控硅阻斷時(shí)，L、C、R和外電源剛好組成一個(gè)串聯(lián)電路，如不串R，在電源電壓作用下，電容兩端將會(huì)產(chǎn)生比電源電壓高得多的震蕩電壓，該電壓加在可控硅上，可使元件損壞，串入R后可抑制震蕩。②限制可控硅開(kāi)通損耗和電流上升率。因可控硅承受正向電壓而未導(dǎo)通，電容上充有電荷，在元件開(kāi)通瞬間，電容立刻經(jīng)可控硅放電，若沒(méi)有電阻限流，這個(gè)放電電流很大，使可控硅開(kāi)通損耗增大，同時(shí)電流上升率di/dt過(guò)大。因此，并聯(lián)在可控硅上的電阻和電容電路，又稱為阻容吸收電路。

設(shè)備維護(hù)中，在處理安裝該線路時(shí)，電阻和電容要盡量靠近可控硅，引線要短，R4～R9最好采用無(wú)感電阻。

4 可控硅直流輸出端過(guò)電壓保護(hù)

可控硅直流輸出端過(guò)電壓的主要原因是感性負(fù)載電路的開(kāi)閉以及電源側(cè)或負(fù)載側(cè)侵入的浪涌電壓。產(chǎn)生過(guò)電壓的實(shí)質(zhì)是電路中的電感元件中儲(chǔ)存的磁場(chǎng)能量瞬時(shí)消散，這種浪涌電壓具有短時(shí)尖峰的特點(diǎn)。因此，整個(gè)浪涌吸收器并接在250V直流輸出端，等效壓敏電阻RV=RV1/3，等效阻容吸收電路中的電阻R=R4/3，電容C=C1/3。

5 可控硅安裝和使用的注意事項(xiàng)

為了保證可控硅整流元件正常工作，在安裝和使用時(shí)應(yīng)注意以下幾點(diǎn)：

（1）合理選用可控硅元件，并留有一定余地。

（2）可控硅元件必須安裝規(guī)定的散熱器，并保證規(guī)定的冷卻條件。為保證散熱器與管芯接觸良好，它們之間應(yīng)涂薄層有機(jī)硅油或硅脂。

（3）應(yīng)有過(guò)電流及過(guò)電壓保護(hù)和限制電流電壓變化率的措施。

（4）要防止可控硅控制結(jié)正向過(guò)載與反向擊穿。

（5）嚴(yán)禁用兆歐表測(cè)量可控硅絕緣狀況。

審稿人：嚴(yán)志剛 內(nèi)蒙古新聞出版廣電局包頭廣播發(fā)射中心臺(tái) 正高級(jí)工程師

責(zé)任編輯：王學(xué)敏

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2096-0751（2017）04-0022-03

張偉東 新疆新聞出版廣電局633臺(tái) 高級(jí)工程師