隨著大功率電力電子器件的發展，晶閘管得到了廣泛的應用，晶閘管應用需要用觸發電路，而且大多數是用三相觸發電路。然而，市面上常見的三相移相觸發芯片大多數都無法在較大噪聲情況下工作，并且現有電網的頻率不是穩定在50 Hz，而常見的三相移相觸發芯片中沒有適應電網頻率漂移的電路，從而導致芯片移相精度下降。本文針對XH001芯片無法在較大噪聲下工作的情況，改進了全數字去噪電路，并且針對由于電網頻率漂移使芯片產生的觸發誤差加了頻率漂移電路，該電路同時增加了芯片的應用范圍，如歐美60 Hz的電網。
1 電路結構
    三相移相觸發電路中有三路功能相同的通道，其電路結構圖如圖1所示。

    在工作狀態下，從AC1、AC2和AC3分別輸入一交流正弦信號，頻率為50 Hz，彼此相差120°。正弦信號通過過零比較器形成方波信號，再經去抖動電路消除輸入信號噪聲，生成干凈的同步方波信號，進入頻率漂移電路和移相電路。頻率漂移電路對輸入漂移的頻率進行實時跟蹤，根據電網頻率漂移的變化，調整移相電路的計數時鐘頻率，減小觸發誤差。移相控制電壓由外部電壓輸入，外部輸入電壓Vcon經過A/D轉換器轉換，作為移相電路中減法計算器的初始值，當減法計數器減為零時，產生一個移相脈沖，該脈沖觸發脈寬發生電路，由WS引腳控制，產生所需要的脈寬信號，經調制后輸出兩路脈沖群OUT+和OUT-。圖1中的J1和J2接外部晶振，提供電路的時鐘信號。
    另外，缺相保護電路可以對去抖動電路輸出的濾掉毛刺抖動的三相交流同步信號的相序和缺相進行檢測，當缺相或相序混亂時，該保護模塊將輸出控制信號，禁止輸出并點亮相應的LED燈，故障排除后可以通過RES對電路進行手動復位。其中Part1~3為人為保護端。
2 電路設計
2.1 去抖動電路
    去抖動電路是數字三相移相觸發電路的重要部分。由于芯片在噪聲嚴重的環境中工作，導致了輸入波形的抖動畸變厲害，信噪比小，加上過零比較器靈敏度比較高，速度足夠快，則輸出出現了由于噪聲信號在過零點附近反復過零造成的抖動序列，如圖2所示。由于有了抖動序列，再加之輸出脈沖群要在0°～180°的大動態范圍內移動，因此導致了多余的尖脈沖，而移相電路中的邏輯無法消除這些多余的脈沖，故在不該出現脈沖群的地方出現了脈沖群，嚴重影響功率器件的正常運轉。

    目前市場上主流的SCR移相觸發控制芯片是XH001，該芯片上的去抖動電路是應用單穩態電路的采樣、保持原理，用電容的充放電達到將原先的信號“部分”地、“有選擇”地還原[2]。芯片XH001中去抖動電路需要用到的電容并不是芯片自帶的電容，而是應用時在外圍電路加上的電容，應用復雜，有必要將芯片中去抖動電路改進為全數字去抖動電路，簡化應用。
    圖3是改進后的全數字去抖動電路的原理圖，三相交流同步信號經過過零比較器之后，通過觸發器使其與內部時鐘同步，圖3中的電路A部分是邊緣檢測電路，其功能是利用三相交流同步信號所有的上升沿和下降沿產生小脈沖，并將這些脈沖作為電路A部分輸出。這些輸出信號進入觸發器B，作為其時鐘信號，實現去抖動功能。當第一個脈沖到來時，觸發器B輸出高電平，同時啟動減法計算器subtraction進行減法計數。為了躲開輸入信號過零點附近約4 ms的噪聲干擾，減法計算器的預置數為4，計數頻率為1 000 Hz，當減法計算器減為零時，輸出CO信號，觸發器B復位，輸出低電平。再利用該輸出信號作為時鐘信號對三相交流同步信號采樣，達到濾除信號中所有的毛刺抖動部分的目的。

    去抖動前后的波形如圖4所示，/net217為輸入的其中一路方波信號，/net206為經過去抖動電路的輸出。由圖4可以看出，上升沿下降沿的抖動序列經過全數字去抖動電路后輸出無抖動序列的干凈波形。

2.2 移相電路
    移相電路是數字三相移相觸發電路的主要部分，其原理如圖5所示，上升沿和下降沿檢測電路檢測出輸入的同步方波的上升沿和下降沿，產生的兩個尖脈沖分別對應同步方波信號正負半周的觸發信號。采用該觸發信號啟動減法計數器開始減法計數，輸入的直流電平Vcon通過A/D變換形成的數字量作為減法計算器的初值。當計算器減為零時，則產生移相后的尖脈沖觸發信號，實現控制相位的目的。

2.3.2 頻率漂移電路的基本原理
    移相觸發電路的一個重要性能參數是能對輸入的47 Hz～63 Hz三相同步信號進行識別，能夠對輸入漂移的頻率進行實時跟蹤，以減小觸發誤差[3]。在這個設計指標下，本文在芯片XH001的基礎上加入頻率漂移析出模塊，其原理圖如圖6所示。輸入的同步信號經過過零比較器輸出矩形波，由CLOCK信號進行脈寬計數。計數器置一初值，當矩形波由高變低時，計數器計數完畢，此時寄存器存儲的數值即為頻漂的數字量。由該數字量控制分頻比，形成CLKCTR信號。CLKCTR與CLOCK經過邏輯電路，形成CLK，在原CLOCK的基礎上按照一定的比例扣除或者增加幾個脈沖，使移相電路在計數時能夠減緩和提高計數的速度。

    對頻率漂移電路進行仿真，仿真時Vcon電壓均采用0 V, 即移相0°，圖7是無頻率漂移電路的仿真模型，可以看到移相輸出出現了漂移，不在是0°；圖8是有頻率漂移電路的仿真模型，可以看到移相輸出的相位是正常的。

3 測試結果
3.1 噪聲抑制測試
    改進的芯片經過流片可以看出抖動問題得到很好的解決。圖9是無去抖動電路的波形，圖10是有去抖動電路的波形。從兩幅圖的對比可以看出：輸出的脈沖群在負半周多余的脈沖已經去掉，去抖動電路的效果顯而易見。

3.2 頻率漂移抑制測試
    對取樣補償頻漂進行測試(測試時Vcon電壓均采用2.5 V，即移相90°），沒有加取樣補償頻漂電路的波形如圖11和圖12所示，加取樣補償頻漂電路后測試時記錄下的波形如圖13和圖14所示。圖11中未移相到90°就觸發輸出脈沖群，圖12中移相超過90°才觸發輸出脈沖群，而圖13和圖14中剛好移相到90°觸發輸出脈沖群，其改進觸發誤差效果明顯。因此證明了取樣補償電路對削減觸發誤差的功用。沒有加取樣補償頻漂電路，隨著輸入頻率的改變，輸出脈沖群的前沿與正弦波的過零點的距離保持恒定，說明只要控制的直流電平不變，則移相的絕對時間不變，這是應該避免的問題。而在測試時消除了該問題，移動的絕對時間隨著輸入的頻率的改變而改變，而移相度數保持恒定。

    本文電路完全由數字電路組成，易于集成，對集成電路的工藝要求不高，產品的成品率高，而且電路簡單，成本（芯片面積、調試成本）并沒有增加很多，性能優越，具有重要的工程應用價值。
參考文獻
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