触发晶闸管的脉冲调制电路的制作方法

本实用新型涉及触发电路技术领域，特别是涉及一种触发晶闸管的脉冲调制电路。

背景技术：

晶闸管由于其能承受的高电压、大电流和可靠稳定的特点而广泛地应用于电力电子、电机控制、大功率变频等领域。在常规应用中，一般通过微控制器例如DSP(数字信号处理器，Digital Signal Processing)、MCU(微控制单元，Microcontroller Unit)、FPGA(现场可编程门阵列，Field-Programmable Gate Array)等产生的PWM(脉冲宽度调制，Pulse Width Modulation)波经过一级功率放大后直接驱动晶闸管，以使晶闸管导通。

然而，上述的驱动方式对具有晶闸管驱动芯片本身的性能有较高的要求，由于驱动芯片在一个触发周期内满占空触发，流过驱动芯片电流大、长时间运行时电路存在发热甚至损坏的问题，进而产生电机失控、桥式电路的上桥和下桥同时导通等诸多不良后果，不能满足电路的驱动需求。

技术实现要素：

基于此，有必要针对如何提高电路质量的技术问题，提供一种触发晶闸管的脉冲调制电路。

一种触发晶闸管的脉冲调制电路，包括：脉冲波形产生电路、调制信号产生电路以及与门电路，所述与门电路分别与所述脉冲波形产生电路以及所述调制信号产生电路连接；所述脉冲波形产生电路用于产生脉冲宽度调制波形，并向所述与门电路输出所述脉冲宽度调制波形；所述调制信号产生电路用于产生脉冲宽度调制信号，并向所述与门电路输出所述脉冲宽度调制信号；所述与门电路用于将所述脉冲宽度调制波形和所述脉冲宽度调制信号进行逻辑与运算以生成驱动信号，并用于将所述驱动信号输出到晶闸管以触发所述晶闸管。

在其中一个实施例中，所述调制信号产生电路包括：第一自激震荡电路、第一选频电路以及第一滤波整形电路，所述第一自激震荡电路分别与所述第一选频电路连接以及所述第一滤波整形电路连接，所述第一选频电路与所述第一滤波整形电路连接，所述第一滤波整形电路与所述与门电路连接；

所述第一自激震荡电路用于分别向所述第一选频电路以及所述第一滤波整形电路输出第一调制脉冲信号，所述第一选频电路用于调整所述第一调制脉冲信号的占空比，生成并输出第二调制脉冲信号，所述第一滤波整形电路用于对所述第一自激震荡电路输出的所述第一调制脉冲信号以及所述第一选频电路输出的所述第二调制脉冲信号进行整形处理以生成所述脉冲宽度调制信号，并输出所述脉冲宽度调制信号到所述与门电路。

在其中一个实施例中，所述第一自激震荡电路包括电阻R11、电容C11、反相器U11B，所述第一选频电路包括电容C12、电阻R12，所述第一滤波整形电路包括反相器U12B、反相器U13B、与门U14A；电容C11的一端接地，另一端与反相器U11B的输入端连接；电阻R11分别与反相器U11B的输入端和输出端连接；电容C12的一端与反相器U11B的输出端连接，另一端与反相器U12B的输入端连接；电阻R12的一端与反相器U12B的输入端连接，另一端接地；反相器U13B的输入端与反相器U12B的输出端连接，反相器U13B的输出端与与门U14A的输入端连接；反相器U11B的输出端还与与门U14A的输入端连接；与门U14A的输出端与所述与门电路的输入端连接。

在其中一个实施例中，反相器U12B和反相器U13B为施密特反相器。

在其中一个实施例中，所述调制信号产生电路包括：第二自激震荡电路、第二选频电路以及第二滤波整形电路，所述第二自激震荡电路与所述第二选频电路连接，所述第二选频电路与所述第二滤波整形电路连接，所述第二滤波整形电路与所述与门电路连接；

所述第二自激震荡电路向所述第二选频电路输出第二调制脉冲信号，所述第二选频电路用于调整所述第二调制脉冲信号的占空比，生成并输出第二调制脉冲信号，所述第二滤波整形电路用于对所述第二选频电路输出的所述第二调制脉冲信号进行整形处理以生成所述脉冲宽度调制信号，并向所述与门电路输出所述脉冲宽度调制信号。

在其中一个实施例中，所述第二自激震荡电路包括电阻R21、电容C21、反相器U21B，所述第二选频电路包括电容C22、电阻R22，所述第二滤波整形电路包括反相器U22B、反相器U23B；电容C21的一端接地，另一端与反相器U21B的输入端连接；电阻R21分别与反相器U21B的输入端和输出端连接；电容C22的一端与反相器U21B的输出端连接，另一端与反相器U22B的输入端连接；电阻R22的一端与反相器U22B的输入端连接，另一端接地；反相器U23B的输入端与反相器U22B的输出端连接，反相器U23B的输出端与所述与门电路的输入端连接。

在其中一个实施例中，反相器U22B和反相器U23B为施密特反相器。

在其中一个实施例中，所述脉冲波形产生电路包括数字信号处理器、微控制单元或者现场可编程门阵列。

上述触发晶闸管的脉冲调制电路，脉冲波形产生电路产生脉冲宽度调制波形，调制信号产生电路产生脉冲宽度调制信号，与门电路将脉冲宽度调制波形和脉冲宽度调制信号进行逻辑与运算以生成驱动信号，并向晶闸管输出驱动信号，从而触发晶闸管，可知逻辑与运算后生成的驱动信号为强脉冲触发，能使晶闸管充分导通，提高触发电路的可靠性，在保证精确的触发角和触发能量即脉冲作用时间的同时可极大地降低驱动芯片的晶闸管的门极损耗，提高了脉冲调制电路的质量，该电路简单可靠且易于实现。

附图说明

图1为一个实施例中触发晶闸管的脉冲调制电路的模块示意图；

图1-2为另一个实施例中触发晶闸管的脉冲调制电路的模块示意图；

图2为一个实施例中调制信号产生电路的模块示意图；

图3为一个实施例中调制信号产生电路的原理示意图；

图4为另一个实施例中调制信号产生电路的模块示意图；

图5为另一个实施例中调制信号产生电路的原理示意图；

图6为一个实施例中触发晶闸管的方法的步骤示意图。

具体实施方式

为使本实用新型的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图对本实用新型的具体实施方式做详细的说明。在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本实用新型。但是本实用新型能够以很多不同于在此描述的其它方式来实施，本领域技术人员可以在不违背本实用新型内涵的情况下做类似改进，因此本实用新型不受下面公开的具体实施例的限制。

请参阅图1，其为一个实施例中触发晶闸管的脉冲调制电路10的模块示意图，一种触发晶闸管的脉冲调制电路10包括：脉冲波形产生电路101、调制信号产生电路102以及与门电路103，与门电路103分别与脉冲波形产生电路101以及调制信号产生电路102连接。

脉冲波形产生电路101用于产生脉冲宽度调制波形，并向与门电路103输出脉冲宽度调制波形。例如，脉冲宽度调制波形即PWM波。

调制信号产生电路102用于产生脉冲宽度调制信号，并向与门电路103输出脉冲宽度调制信号。例如，脉冲宽度调制信号即PWM调制信号。

与门电路103用于将脉冲宽度调制波形和脉冲宽度调制信号进行逻辑与运算以生成驱动信号，并向晶闸管104输出驱动信号以触发晶闸管104。

上述触发晶闸管的脉冲调制电路10，脉冲波形产生电路101产生脉冲宽度调制波形，调制信号产生电路102产生脉冲宽度调制信号，与门电路103将脉冲宽度调制波形和脉冲宽度调制信号进行逻辑与运算以生成驱动信号，并向晶闸管输出驱动信号，从而触发晶闸管，可知逻辑与运算后生成的驱动信号为强脉冲触发，能使晶闸管充分导通，提高触发电路的可靠性，在保证精确的触发角和触发能量即脉冲作用时间的同时可极大地降低驱动芯片的晶闸管的门极损耗，提高了脉冲调制电路的质量，该电路简单可靠且易于实现。

为产生并输出脉冲宽度调制波形，例如，脉冲波形产生电路包括数字信号处理器、微控制单元或者现场可编程门阵列。可知，数字信号处理器、微控制单元以及现场可编程门阵列均可产生PWM波。例如，脉冲波形产生电路包括数字信号处理器DSP，以通过DSP产生PWM波；又如，脉冲波形产生电路包括微控制单元MCU，以通过MCU产生PWM波；又如，脉冲波形产生电路包括现场可编程门阵列FPGA，以通过FPGA产生PWM波。

为提高晶闸管的导通率，一实施例中，调制信号产生电路产生的脉冲宽度调制信号具有预设宽度，以使得晶闸管在该脉冲的作用时间内能够达到擎柱电流，使晶闸管充分导通。需要指出的是，脉冲宽度调制信号的预设宽度可根据电路的实际情况而确定。

进一步的，触发晶闸管的脉冲调制电路还包括功率放大电路。功率放大电路与与门电路的输出端连接，用于对由与门电路输出的驱动信号进行功率放大。本实施例中，功率放大电路可以采用现有的电路模块，也可以根据电路的实际需要对现有的电路模块进行修改。如此可知驱动信号进过功率放大电路后其功率增加，带负载能力更强，进一步地提高了晶闸管的导通率。

请参阅图1-2，其为另一个实施例中触发晶闸管的脉冲调制电路的模块示意图，本实施例中，脉冲波形产生电路101包括数字信号处理器DSP为例，即DSP发出三路PWM波形，即PWM1波形、PWM2波形以及PWM3波形。调制信号产生电路102包括调制信号产生电路1、调制信号产生电路2以及调制信号产生电路3。与门电路103包括与门电路1、与门电路2以及与门电路3。驱动电路105包括晶闸管1、晶闸管2以及晶闸管3。需要说明的是，驱动电路105为本实施例的触发晶闸管的脉冲调制电路所要驱动的电路模块。

本实施例中，DSP发出的波形PWM1以及调制信号产生电路1产生的脉冲宽度调制信号一同输入与门电路1，在与门电路1的逻辑与运算后输出至驱动电路105，以触发晶闸管1。同理，DSP发出的波形PWM2以及调制信号产生电路2产生的脉冲宽度调制信号一同输入与门电路2，在与门电路2的逻辑与运算后输出至驱动电路105，以触发晶闸管2。同理，DSP发出的波形PWM3以及调制信号产生电路3产生的脉冲宽度调制信号一同输入与门电路3，在与门电路3的逻辑与运算后输出至驱动电路305，以触发晶闸管3。本实施例中，DSP同时发出PWM1波形、PWM2波形以及PWM3波形，以同时触发晶闸管1、晶闸管2以及晶闸管3，保证精确的触发角和触发能量以驱动该驱动电路105。

请参阅图2，其为一个实施例中调制信号产生电路102的模块示意图，例如，调制信号产生电路102包括：第一自激震荡电路201、第一选频电路202以及第一滤波整形电路203，第一自激震荡电路201分别与第一选频电路202连接以及第一滤波整形电路203连接，第一选频电路202与第一滤波整形电路203连接，第一滤波整形电路203与该与门电路103连接。

第一自激震荡电路201用于分别向第一选频电路202以及第一滤波整形电路203输出第一调制脉冲信号，第一选频电路202用于调整第一调制脉冲信号的占空比，生成并输出第二调制脉冲信号，第一滤波整形电路203用于对第一自激震荡电路201输出的第一调制脉冲信号以及第一选频电路202输出的第二调制脉冲信号进行整形处理以生成脉冲宽度调制信号，并向与门电路103输出脉冲宽度调制信号。

请参阅图3，其为一个实施例中调制信号产生电路的原理示意图，例如，第一自激震荡电路包括电阻R11、电容C11、反相器U11B。例如，第一选频电路202包括电容C12、电阻R12。例如，第一滤波整形电路203包括反相器U12B、反相器U13B、与门U14A。本实施例中，电阻R11和电阻R12的阻值为10K，电容C11和电容C12的电容值均为10nF，反相器U11B、反相器U12B和反相器U13B采用六路施密特触发反向器74LS14N，与门U14A采用型号为7408J的与门电路。可以理解，反相器U11B、反相器U12B和反相器U13B为施密特反相器，可以增强电路的抗干扰能力，避免误触发。

例如，电容C11的一端接地，另一端与反相器U11B的输入端连接。电阻R11分别与反相器U11B的输入端和输出端连接。电容C12的一端与反相器U11B的输出端连接，另一端与反相器U12B的输入端连接。电阻R12的一端与反相器U12B的输入端连接，另一端接地。反相器U13B的输入端与反相器U12B的输出端连接，反相器U13B的输出端与该与门U14A的输入端连接。反相器U11B的输出端与该与门U14A的输入端连接。与门U14A的输出端与该与门电路103的输入端连接。

可以理解，由电阻R11、电容C11、反相器U11B组成的第一自激震荡电路201，由电容C12、电阻R12组成的第一选频电路202以及由反相器U12B、反相器U13B、与门U14A组成的第一滤波整形电路203，电路简单可靠，易于实现。第一滤波整形电路向与门电路输出的电流即后级驱动电流可最多减小为原来的10％，且该调制脉冲为强脉冲触发，比普通的PWM电平触发能使晶闸管充分导通，提高触发电路的可靠性。需要说明的是，强脉冲指的是每个调制脉冲周期内的电流幅值可以达到很高，为正常驱动电流的数倍，以快速有效驱动晶闸管。后级驱动电流的减少程度的具体的效果和晶闸管等相关元器件的特性有关，通常情况下也能减小为原来的三分之一。

如图3所示，本实施例中，在自激震荡电路中，U11B为反相器，R11和C11分别为充放电电阻和电容，初始时刻C11两端的电压为0，反相器U11B输出高电平并通过R11给电容C11充电，电容C11两端的电压慢慢升高，当大于反相器U11B的高电平电压后，反相器U11B输出0，电容C11通过R11对地开始放电，电容C11两端的电压缓慢降低，当低于反相器U11B的低电平电压时，反相器U11B输出1，如此循环，便输出一系列调制脉冲信号。调制信号的频率取决于R、C的大小。在具体的应用中，应考虑实际的晶闸管触发电路的触发角的精度和驱动芯片的功耗。频率越高，触发角精度越高，驱动芯片门极损耗越大。因此，需要根据实际工程需要，在触发角和功耗之间寻求平衡点。确保晶闸管充分导通还要降低触发电路的门极损耗，进而提高晶闸管触发电路的性能。

在选频网络中，电容C12的电容值决定了最终输出的信号的占空比，电容值越大，占空比越大，设计时需要根据驱动功耗及晶闸管导通角触发要求综合考虑。

在由U12B、U13B、U14A组成的滤波整形电路中，U12B、U13B为施密特反相器，通过两级反相可对选频网络输出的PWM信号进行整形，获得较为理想的PWM波形。通过与门U14A将反相器后的输出与自激振荡电路的输出相与可提高此电路输出的可靠性。

请参阅图4，其为另一个实施例中调制信号产生电路的模块示意图，例如，调制信号产生电路包括：第二自激震荡电路401、第二选频电路402以及第二滤波整形电路403。例如，第二自激震荡电路401与第二选频电路402连接，第二选频电路402与第二滤波整形电路403连接，第二滤波整形电路403与该与门电路103连接。

例如，第二自激震荡电路401用于向第二选频电路402输出第二调制脉冲信号。第二选频电路402用于调整第二调制脉冲信号的占空比，生成并输出第二调制脉冲信号。第二滤波整形电路403用于对第二选频电路402输出的第二调制脉冲信号进行整形处理以生成脉冲宽度调制信号，并向与门电路103输出脉冲宽度调制信号。

请参阅图5，其为另一个实施例中调制信号产生电路的原理示意图，例如，第二自激震荡电路401包括电阻R21、电容C21、反相器U21B，第二选频电路402包括电容C22、电阻R22，第二滤波整形电路403包括反相器U22B、反相器U23B。本实施例中，电阻R21和电阻R22的阻值为10K，电容C21和电容C22的电容值均为10nF，反相器U21B、反相器U22B和反相器U23B采用六路施密特触发反向器74LS14N。可以理解，反相器U21B、反相器U22B和反相器U23B为施密特反相器，可以增强电路的抗干扰能力，避免误触发。

例如，电容C21的一端接地，另一端与反相器U21B的输入端连接。电阻R21分别与反相器U21B的输入端和输出端连接。电容C22的一端与反相器U21B的输出端连接，另一端与反相器U22B的输入端连接。电阻R22的一端与反相器U22B的输入端连接，另一端接地。反相器U23B的输入端与反相器U22B的输出端连接，反相器U23B的输出端与该与门电路103的输入端连接。

可以理解，由电阻R21、电容C21、反相器U21B组成的第二自激震荡电路401，由电容C22、电阻R22组成的第二选频电路402以及由反相器U22B、反相器U23B、与门U24A组成的第二滤波整形电路403，电路简单可靠，易于实现。第二滤波整形电路向与门电路输出的电流即后级驱动电流可最多减小为原来的10％，且该调制脉冲为强脉冲触发，比普通的PWM电平触发能使晶闸管充分导通，提高触发电路的可靠性。需要说明的是，强脉冲指的是每个调制脉冲周期内的电流幅值可以达到很高，为正常驱动电流的数倍，以快速有效驱动晶闸管。后级驱动电流的减少程度的具体的效果和晶闸管等相关元器件的特性有关，通常情况下也能减小为原来的三分之一。

如图5所示，本实施例中，在自激震荡电路中，U21B为反相器，R21和C21分别为充放电电阻和电容。初始时刻C21两端的电压为0，反相器U21B输出高电平并通过R21给电容C21充电，电容C21两端的电压慢慢升高，当大于反相器U21B的高电平电压后，反相器输出0，电容C21通过R21对地开始放电，其两端的电压缓慢降低，当低于反相器U21B的低电平电压时，反相器输出1，如此循环，便输出一系列调制脉冲信号。调制信号的频率取决于R、C的大小。在具体的应用中，应考虑实际的晶闸管触发电路的触发角的精度和驱动芯片的功耗。频率越高，触发角精度越高，驱动芯片门极损耗越大。因此，需要根据实际工程需要，在触发角和功耗之间寻求平衡点。确保晶闸管充分导通还要降低触发电路的门极损耗，进而提高晶闸管触发电路的性能。

在选频网络中，C5的电容值决定了最终输出的信号的占空比，电容值越大，占空比越大，设计时需要根据驱动功耗及晶闸管导通角触发要求综合考虑。

在由U22B、U23B组成的滤波整形电路中，U12B、U13B为施密特反相器，通过两级反相可对选频网络输出的PWM信号进行整形，获得较为理想的PWM波形。将由U22B、U23B组成两级反相电路的输出直接作为电路的输出，以驱动晶闸管触发电路。

请参阅图6，其为一个实施例中触发晶闸管的方法20的步骤示意图，该触发晶闸管的方法应用于上述各实施例的触发晶闸管的脉冲调制电路。例如，一种触发晶闸管的方法20包括：

步骤S601：建立脉冲波形产生电路和调制信号产生电路。

具体的，脉冲波形产生电路和调制信号产生电路为如图3或图5所示的电路。脉冲波形产生电路包括数字信号处理器、微控制单元或者现场可编程门阵列。调制信号产生电路产生的脉冲宽度调制信号具有预设宽度，以使得晶闸管在该脉冲的作用时间内能够达到擎柱电流，使晶闸管充分导通。

步骤S602：通过脉冲波形产生电路生成脉冲宽度调制波形，以及，通过调制信号产生电路生成脉冲宽度调制信号。

具体的，脉冲波形产生电路用于产生脉冲宽度调制波形，并向与门电路输出脉冲宽度调制波形。例如，脉冲宽度调制波形即PWM波。调制信号产生电路用于产生脉冲宽度调制信号，并向与门电路输出脉冲宽度调制信号。例如，脉冲宽度调制信号即PWM调制信号。

步骤S603：将脉冲宽度调制波形和脉冲宽度调制信号进行逻辑与运算，生成得到驱动信号。

具体的，建立与门电路。例如，与门电路为如图3或图5所示的电路。与门电路用于将脉冲宽度调制波形和脉冲宽度调制信号进行逻辑与运算以生成驱动信号，并向晶闸管输出驱动信号以触发晶闸管。

步骤S604：输出驱动信号至晶闸管以触发晶闸管。

具体的，脉冲波形产生电路同时产生三路脉冲宽度调制波形，并向与门电路输出该三路脉冲宽度调制波形。例如，脉冲宽度调制波形即PWM波。例如，设立三个调制信号产生电路，每一路均产生脉冲宽度调制信号，并分别向与门电路输出脉冲宽度调制信号。

上述触发晶闸管的方法20，脉冲波形产生电路产生脉冲宽度调制波形，调制信号产生电路产生脉冲宽度调制信号，与门电路将脉冲宽度调制波形和脉冲宽度调制信号进行逻辑与运算以生成驱动信号，并向晶闸管输出驱动信号，从而触发晶闸管，可知逻辑与运算后生成的驱动信号为强脉冲触发，能使晶闸管充分导通，提高触发电路的可靠性，在保证精确的触发角和触发能量即脉冲作用时间的同时可极大地降低驱动芯片的晶闸管的门极损耗，提高了脉冲调制电路的质量，该电路简单可靠且易于实现。

一实施例中，输出驱动信号至晶闸管以触发晶闸管的步骤包括：放大驱动信号的功率；向晶闸管输出功率放大后的驱动信号以触发导通晶闸管。

具体的：触发晶闸管的脉冲调制电路还包括功率放大电路。功率放大电路与该与门电路的输出端连接，以放大与门电路输出的驱动信号的功率。可知驱动信号进过功率放大电路后其功率增加，带负载能力更强，进一步地提高了晶闸管的导通率。如此，在晶闸管触发电路中，将微控制器发出的PWM波与PWM调制信号相与，然后再送入驱动芯片进行功率放大并驱动晶闸管导通。调制信号产生电路产生的脉冲具有一定的宽度，使得晶闸管在该脉冲作用时间内能够达到擎柱电流，使晶闸管充分导通。

本实施例的有益效果为：

(1)降低驱动功耗，即该方法在保证精确的触发角和触发能量即脉冲作用时间的同时可极大地降低驱动芯片的门极损耗。

(2)该电路简单有效易于实现，可将后级驱动电流最多减小为原来的10％，需要指出的是，后级驱动电流的减小具体的效果和晶闸管等相关元器件的特性有关，通常情况下也能减小为原来的三分之一。调制脉冲采用强脉冲触发，比普通PWM电平触发能使晶闸管充分导通，提高触发电路的可靠性。

以上所述实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。

以上所述实施例仅表达了本实用新型的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对实用新型专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本实用新型构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本实用新型的保护范围。因此，本实用新型专利的保护范围应以所附权利要求为准。