基于TC787的六相可控整流电路的设计

1．引言

    在一些特殊应用中，如冶金、电化学、电动汽车等，供电电源往往只有几十伏，功率范围却在几千瓦到几十千瓦之间，供电电源提供的电流要达到数百安培。采用三相桥式整流电路难以满足此类要求，因此本文提出了采用了六相可控整流电路来解决此类低电压大电流供电电源的问题。

2．系统主电路结构

    系统的供电电源由永磁同步发电机提供，该永磁同步发电机为双Y移 绕组结构，两套绕组在空间相位上相差 电角度。每套Y形连接的内部绕组在空间上互差 电角度。两个三相绕组分别经过三相全桥整流后经平波电抗器并联在一起，形成12脉波整流电路，如图1所示。

图1 系统主电路图

3．TC787简介

    TC787是采用先进IC工艺设计制作的单片集成电路，可单电源工作，亦可双电源工作，主要适用于三相晶闸管移相触发电路和三相三极管脉宽调制电路，以构成多种调压调速和变流装置。与目前流行的KC系列电路相比，具有功耗小、功能强、输入阻抗高、抗干扰性能好、移相范围宽，外接元件少等优点；而且装调简便，使用可靠。

3.1  TC787工作原理

    TC787内部结构如图2所示。由图可知，在其内部集成有三个过零和极性检测单元、三个锯齿波形成单元、三个比较器、一个脉冲发生器、一个抗干扰锁定电路、一个脉冲形成电路、一个脉冲分配及驱动电路。它们的工作原理可简述为：经滤波后的三相同步电压通过过零和极性检测单元检测出零点和极性后，作为内部三个恒流源的控制信号。三个恒流源输出的恒值电流给三个等值电容Ca、Cb、Cc恒流充电，形成良好的等斜率锯齿波。锯齿波形成单元输出的锯齿波与移相控制电压Vr比较后取得交相点，该交相点经集成电路内部的抗干扰锁定电路锁定，保证交相唯一而稳定，使交相点以后的锯齿波或移相电压的波动不影响输出。该交相信号与脉冲发生器输出的脉冲信号经脉冲形成电路处理后变为与三相输入同步信号相位对应且与移相电压大小适应的脉冲信号送到脉冲分配及驱动电路。引脚5是输出禁止端，当系统未发生过电流、过电压或其它非正常情况，则引脚5禁止端为低电平，此时脉冲分配电路根据用户在引脚6设定的状态完成双脉冲(引脚6为高电平)或单脉冲(引脚6为低电平)的分配功能，并经输出驱动电路功率放大后输出，一旦系统发生过电流、过电压或其它非正常情况，则引脚5输出高电平，脉冲分配和驱动电路内部的逻辑电路动作，封锁脉冲输出，确保集成电路的6个引脚12、11、10、9、8、7输出全为低电平。

图2  TC787原理图

 

3.2  TC787各引脚功能描述

（1）引脚 18、1、2分别为三相同步电压 Va、Vb、Vc输入端，应用中分别接同步变压器副边的同步电压，同步变压器的原边来自于发电机的端电压。同步电压的峰值应不超过TC787的工作电源电压VDD。

（2）引脚 12、10、8、9、7和 11是脉冲输出端。其中引脚12、10和 8分别控制上半桥臂的 A、B、C相晶闸管；引脚9、7和11分别控制下半桥臂的 －A、－B和 －C相 晶闸管。

（3）引脚5为输出脉冲禁止端。该端用来在故障状态下封锁TC787的输出，高电平有效。

（4）引脚16、15和14分别为产生相对于 A、B和C相同步电压的锯齿波充电电容连接端，电容值大小决定了移相锯齿波的斜率和幅值。

（5）引脚6为工作方式设置端。当该端接高电平时，TC787输出双窄脉冲；当该端接低电平时，输出单宽脉冲。

（6）引脚4为移相控制电压输入端。该端输入电压的高低，直接决定着TC787输出脉冲的移相范围，其电压幅值最大为TC787的工作电源电压VDD。

（7）引脚13为触发脉冲宽度调节电容Cx，该电容的容量决定着TC787输出脉冲的宽度，电容的容量越大，输出脉冲宽度越宽。

（8）引脚17为正电源VDD输入端，引脚3为负电源Vss输入端。单电源工作时引脚3接地，而引脚17允许施加的电压为8～18V。双电源工作时，引脚3接负电源，其允许施加的电压幅值为-4～-9V，引脚17接正电源，允许施加的电压为+4～+9V。

3.3  TC787在六相整流电路中的应用

    图3为TC787在六相整流电路中的应用电路，图中电容C1~C3为隔直耦合电容，而C4~C6为滤波电容，它与R1~R3构成滤去同步电压中毛刺的环节。另一方面随RP1~RP3三个电位器的不同调节，可实现0~60°的移相，从而适应不同主变压器接法的需要。在同步信号为400HZ时，锯齿波充电电容建议采用0.015μF电容，相对误差小于5%，以锯齿波线性好，幅度大，不平顶为宜，幅度小可减小电容值，产生平顶则增大电容值。引脚13端连接的电容Cx容量决定着TC787输出脉冲的宽度，电容的容量越大，则脉冲宽度越宽，在同步信号为400HZ时，建议采用820pF电容。

图3  TC787应用电路

4．自动电压调节电路

    TC787的引脚4为移相控制电压输入端，该端电压的高低直接决定着TC787输出脉冲的移项角度。在应用中为使系统在不同的负载下输出恒定的电压，需要电路能够自动调节输出脉冲的移项角度。本文设计的自动调节电路如图4所示。电路输出电压经过电阻分压后与给定电压进行比较，其偏差值经过PI调节后输出到TC787的移项控制电压输入端。当输出电压升高时，V02点的电压也升高，从而使移项控制电压升高，晶闸管的触发角增大，从而使输出电压降低；反之，当输出电压降低时，V02点的电压也降低，从而使移项控制电压降低，晶闸管的触发角减小，从而使输出电压升高。

图4 自动电压调节电路

5．实验结果

    以TC787为核心的六相整流电路的设计取得了理想的结果，图5是发电机空载和满载的输出电压波形，表一为现场测得的实验数据。由波形图和实验数据可以看出，电机负载由0％~100％加载过程中发电机输出电压始终在 V，满足系统的要求，说明控制性能良好。

图5 发电机输出电压波形（a:空载波形；b:满载波形）

表一  现场测试的实验数据

6．结论

    本文根据电压大电流电路的应用特点，设计了六相可控整流电路，并通过一台6KW的永磁同步电机进行验证，取得了良好的实验结果，说明该设计方案是可行的。