一種控溫電熱毯可控矽零電壓開啟模塊及其實現方法
2023-06-13 08:50:01 3
專利名稱：一種控溫電熱毯可控矽零電壓開啟模塊及其實現方法
技術領域：
本發明涉及可控矽零電壓開啟模塊，特別是涉及一種控溫電熱毯可控矽零電壓開 啟模塊及其實現方法。
背景技術：
控溫電熱毯一般採用可控矽作為功率輸出開關器件，可控矽有陽極A，陰極K和門 極(控制端)G三個聯接端，如圖1所示，陰極是可控矽主電路與控制電路的公共端。其正 常工作時的開通需同時滿足以下兩個條件(1)承受正向電壓，即陽極A電壓大於陰極K電壓；(2)門極有觸發電流；以前的電熱毯控制器，因功率開關器件——可控矽門極觸發信號沒有任何時間點 的控制，其功率輸出是在交流半波的任意點(常常是峰值)進行的，可控矽在陽極——陰 極間電壓或電流很高的條件下，在門極的控制下開通，由於開通過程中電壓、電流均不為 零，出現了重疊，因此導致了開關損耗，可控矽溫度升高，影響器件壽命，而且電壓和電流的 變化很快，波形出現了明顯的過衝，這導致了開關噪聲的產生，其典型的開通過程如圖2所 示，這樣的可控矽開通過程給電路帶來嚴重的電磁幹擾問題，電磁輻射較大，影響周邊電子 設備的正常工作，更為關鍵的是，它嚴重影響產品的使用壽命，阻礙了控溫電熱毯向綠色環 保方向發展的進程。
發明內容
本發明的目的在於克服現有技術的上述不足，提供一種控溫電熱毯可控矽零電壓 開啟模塊，該模塊使可控矽開通前電壓先降為零，消除了開通過程中電壓、電流的重疊，降 低了它們的變化率，從而大大減小甚至消除了損耗和開關噪聲，在延長產品使用壽命的同 時，使控溫電熱毯向綠色環保方向發展。本發明的另外一個目的在於提供一種控溫電熱毯可控矽零電壓開啟模塊的實現 方法。本發明的上述目的是通過如下技術方案予以實現的一種控溫電熱毯可控矽零電壓開啟模塊，由整形電路、MCU和可控矽外圍電路組 成，其中整形電路將電源交流正弦半波信號整形為同步的方波信號並輸出給MCU ；MCU:通過中斷方式實時檢測接收到的方波信號的下降沿，得到交流電的過零信號 點Ml時立即進行定時控制，在定時4ms 6ms後的Cl點觸發並完成PWM方波的生成，並通 過MCU的IO 口將PWM方波輸出給可控矽外圍電路，所述PWM方波的周期< 500us ；可控矽外圍電路接收PWM方波，並在PWM方波到達可控矽門極G後為可控矽門極 G提供觸發信號，使得在下一個交流半波到來時，可控矽在交流電壓過零點Kl點開啟；同時 保護可控矽門極G不被誤觸發。
在上述控溫電熱毯可控矽零電壓開啟模塊中，整形電路包括二極體D1、電阻R1、 電阻R2、電容Cl和穩壓管D2，其中二極體D1、電阻Rl和電阻R2串聯連接，電阻R2、電容Cl 和穩壓管D2並聯連接，二極體Dl、電阻Rl和電阻R2起到分壓作用，電容Cl起到濾波作用， 穩壓管D2起到穩壓作用，從而將交流正弦半波信號整形為同步的方波信號。在上述控溫電熱毯可控矽零電壓開啟模塊中，MCU包括過零檢測模塊、時間點控制 模塊和PWM波形生成模塊，其中過零檢測模塊為一中斷控制器，通過中斷方式實時檢測接 收到的方波信號的下降沿，得到交流電的過零信號點Ml時立即進入時間點控制模塊；時間 點控制模塊為一定時器，進行定時控制，在定時4ms 6ms後的Cl點觸發PWM波形生成模 塊；PWM波形生成模塊負責完成PWM方波的生成，並通過MCU的IO 口將PWM方波輸出給可 控矽外圍電路，所述PWM波的周期< 500us。在上述控溫電熱毯可控矽零電壓開啟模塊中，可控矽外圍電路包括可控矽門極保 護電路和可控矽門極觸發電路，其中可控矽門極保護電路由電阻R3與電容C2並聯而成，保 護可控矽門極G不被誤觸發，其中電容C2起隔直通交作用，保證接收到的PWM方波有效通 過，在MCU的IO 口損壞失控時，阻止直流通過，R3阻值較大，在直流情況下使得到達可控矽 門極G的電流幾乎為零；可控矽門極觸發電路由電阻R4和可控矽組成，可控矽有陽極A，陰 極K和門極G三個聯接端，在PWM方波到達可控矽門極G後為可控矽門極G提供觸發信號， 使得在下一個交流半波到來時，可控矽在交流電壓過零點Kl點開啟，其中電阻R4用於鉗制 可控矽門極G和陰極K間電位，保證可控矽被可靠觸發。在上述控溫電熱毯可控矽零電壓開啟模塊中，電阻R3的阻值大於200K。一種控溫電熱毯可控矽零電壓開啟方法，包括如下步驟(1)將電源交流正弦半波信號整形為同步的方波信號；(2)通過中斷方式實時檢測所述方波信號的下降沿，得到交流電的過零信號點Ml 時立即進行定時控制，在定時4ms 6ms後的Cl點觸發並完成PWM方波的生成，所述PWM 方波的周期< 500us ；(3)在PWM方波到達可控矽門極G後為可控矽門極G提供觸發信號，使得在下一個 交流半波到來時，可控矽在交流電壓過零點Kl點開啟；同時保護可控矽門極G不被誤觸發。本發明與現有技術相比具有如下優點(1)本發明控溫電熱毯可控矽零電壓開啟模塊通過引入MCU進行智能控制，易於 實現交流電過零點的檢測、與供電電網同步後時間點的控制和PWM波形的生成，從而實現 了控溫電熱毯可控矽在電壓過零點開啟，與傳統電熱毯可控矽在交流電壓任意一點開啟相 比，由於本發明使可控矽開通前電壓先降為零，從而消除了開通過程中電壓、電流的重疊， 降低了它們的變化率，從而大大減小甚至消除了損耗和開關噪聲；(2)本發明時間點控制模塊是通過定時器控制完成的，大量實驗發現在得到交流 電的過零信號點Ml時立即進行定時控制，定時4ms 6ms為最佳，因為方波信號的下降沿 處常常會有一些毛刺出現，即電源電壓仍存在一定幹擾或波動，定時4ms 6ms後電源比較 平穩，幾乎為零；(3)本發明控溫電熱毯可控矽零電壓開啟模塊針對當前電熱毯控制器由於可控矽 在交流電任意點開啟造成電磁兼容性不好的特點，填補當前電熱毯行業的空白，在延長產 品使用壽命的同時，降低幹擾、輻射、消除噪聲，使控溫電熱毯向綠色環保方向發展。
圖1為可控矽的聯接端子示意圖2為現有技術中可控矽開啟效果圖3為本發明可控矽零電壓開啟模塊結構示意圖4為本發明可控矽零電壓開啟模塊中整形電路結構示意圖5為本發明電源交流正弦半波圖6為本發明整形方波圖7為本發明時間點控制模塊觸發PWM方波生成的時間點選取圖8為本發明PWM方波圖9為本發明可控矽零電壓開啟模塊中可控矽外圍電路結構示意圖
圖10為本發明可控矽零電壓開啟圖11為本發明可控矽零電壓開啟效果圖。
具體實施例方式下面接合附圖和具體實施例對本發明作進一步詳細的描述如圖3所示為本發明可控矽零電壓開啟模塊結構示意圖，由圖可知該開啟模塊由 整形電路、MCU及可控矽外圍電路組成。整形電路起到將電源交流正弦半波整形為方波的作用，如圖4所示為本發明可控 矽零電壓開啟模塊中整形電路結構示意圖，整形電路為電容降壓的半橋供電系統，包括二 極管D1、電阻R1、電阻R2、電容Cl和穩壓管D2，其中二極體D1、電阻Rl和電阻R2串聯連 接，電阻R2、電容Cl和穩壓管D2並聯連接，DURl和R2進行分壓，Cl進行濾波，穩壓管D2 為5V穩壓管，將高於5V的電壓都穩壓到5V，低於5V時不導通，從而將交流正弦半波信號整 形為同步的方波信號。其電源(即a點)正弦半波如圖5所示，b點電壓(也即R2兩端電壓)為整形後 的方波信號，如圖6所示為整形方波圖。該方波信號的幅值在4V 5V之間，周期為20ms。 該方波信號從MCU的中斷引腳輸入，作為MCU過零檢測的輸入信號。MCU包括過零檢測模塊、時間點控制模塊和PWM波形生成模塊三個部分，主要完成 交流電過零檢測以及PWM波形生成的時間點控制。過零檢測模塊負責檢測圖6所示的方波下降沿信號，它實際上是一個中斷控制 器，它通過中斷方式實時檢測該方波的下降沿，得到交流電的過零信號Ml後立即進入時間 點控制模塊。時間點控制模塊是通過定時器控制完成的，定時4ms 6ms (T2)，並從Cl點 時間點開始觸發PWM波形生成模塊，如圖7所示為本發明時間點控制模塊觸發PWM方波生 成的時間點選取圖。PWM波形生模塊負責完成PWM方波的生成，並通過MCU的IO 口輸出到 可控矽外圍電路，該模塊的功能是通過定時器控制實現的，每125us到時，IO 口電平翻轉一 次，從而實現周期為250us(實驗數據表明，PWM波周期為500us以下均能滿足要求)佔空 比為50%的PWM方波，幅值為5V，PWM方波作為可控矽門極觸發信號，經過可控矽外圍電路 提供給可控矽門極。如圖8所示為本發明PWM方波圖。可控矽外圍電路主要由兩部分組成可控矽門極保護電路和可控矽門極觸發電路，分別起到保護可控矽門極被誤觸發和保證在正常狀態下可控矽門極被可靠觸發的作 用。如圖9所示為本發明可控矽零電壓開啟模塊中可控矽外圍電路結構示意圖。其中可控矽門極保護電路由電阻R3與電容C2並聯而成，保護可控矽門極G不被 誤觸發，圖中R3為200K的大電阻，起釋放電流作用；Cl起到保護作用，能有效防止可控矽 被誤觸發；假設MCU的IO損壞失控並一直輸出高電平，此時若沒有R3、C2網絡，則可控矽門 極會一直有觸發電流，電熱毯系統會處於危險的加熱狀態。而採用R3、C2網絡後，由於C2有 隔直通交作用，PWM方波能有效通過，而當MCU的IO 口損壞失控時，C2可以阻止直流通過， R3阻值很大，在直流情況下使得到達可控矽門極的電流幾乎為零，防止可控矽被誤觸發。可控矽門極觸發電路由電阻R4和可控矽組成，可控矽有陽極A，陰極K和門極G三 個聯接端，電阻R4用於鉗制可控矽門極G和陰極K間電位，保證可控矽被可靠觸發。如圖 9所示在PWM方波到達可控矽門極G後，為可控矽門極G提供觸發信號，這樣可控矽具備了 導通的兩個條件之一一門極有觸發電流；在下一個交流半波到來時，可控矽滿足了導通的 第二個條件一陽極和陰極之間承受正電壓，從而在交流電壓過零點Kl點開啟，如圖10所示 為本發明可控矽零電壓開啟圖；如圖11所示為本發明可控矽零電壓開啟效果圖，由圖11可 知本發明可控矽零電壓開啟方式可以有效消除損耗和開關噪聲。本發明引入MCU進行智能控制，通過檢測交流電的過零點，實現與供電電網同步， 並通過定時控制可控矽門極信號的輸出時間，實現在交流半波到來之前給出可控矽門極使 能信號，從而達到可控矽剛剛承受正壓時就導通的效果。以上所述，僅為本發明最佳的具體實施方式
，但本發明的保護範圍並不局限於此， 任何熟悉本技術領域的技術人員在本發明揭露的技術範圍內，可輕易想到的變化或替換， 都應涵蓋在本發明的保護範圍之內。本發明說明書中未作詳細描述的內容屬於本領域專業技術人員的公知技術。
權利要求
一種控溫電熱毯可控矽零電壓開啟模塊，其特徵在於由整形電路、MCU和可控矽外圍電路組成，其中整形電路將電源交流正弦半波信號整形為同步的方波信號並輸出給MCU；MCU通過中斷方式實時檢測接收到的方波信號的下降沿，得到交流電的過零信號點M1時立即進行定時控制，在定時4ms～6ms後的C1點觸發並完成PWM方波的生成，並通過MCU的IO口將PWM方波輸出給可控矽外圍電路，所述PWM方波的周期＜500us；可控矽外圍電路接收PWM方波，並在PWM方波到達可控矽門極G後為可控矽門極G提供觸發信號，使得在下一個交流半波到來時，可控矽在交流電壓過零點K1點開啟；同時保護可控矽門極G不被誤觸發。
2.根據權利要求1所述的一種控溫電熱毯可控矽零電壓開啟模塊，其特徵在於所述 整形電路包括二極體D1、電阻R1、電阻R2、電容Cl和穩壓管D2，其中二極體D1、電阻Rl和 電阻R2串聯連接，電阻R2、電容Cl和穩壓管D2並聯連接，二極體Dl、電阻Rl和電阻R2起 到分壓作用，電容Cl起到濾波作用，穩壓管D2起到穩壓作用，從而將交流正弦半波信號整 形為同步的方波信號。
3.根據權利要求1所述的一種控溫電熱毯可控矽零電壓開啟模塊，其特徵在於所述 MCU包括過零檢測模塊、時間點控制模塊和PWM波形生成模塊，其中過零檢測模塊為一中 斷控制器，通過中斷方式實時檢測接收到的方波信號的下降沿，得到交流電的過零信號點 Ml時立即進入時間點控制模塊；時間點控制模塊為一定時器，進行定時控制，在定時4ms 6ms後的Cl點觸發PWM波形生成模塊；PWM波形生成模塊負責完成PWM方波的生成，並通過 MCU的IO 口將PWM方波輸出給可控矽外圍電路，所述PWM波的周期< 500us。
4.根據權利要求1所述的一種控溫電熱毯可控矽零電壓開啟模塊，其特徵在於所述 可控矽外圍電路包括可控矽門極保護電路和可控矽門極觸發電路，其中可控矽門極保護電 路由電阻R3與電容C2並聯而成，保護可控矽門極G不被誤觸發，其中電容C2起隔直通交 作用，保證接收到的PWM方波有效通過，在M⑶的IO 口損壞失控時，阻止直流通過，R3阻值 較大，在直流情況下使得到達可控矽門極G的電流幾乎為零；可控矽門極觸發電路由電阻 R4和可控矽組成，可控矽有陽極A，陰極K和門極G三個聯接端，在PWM方波到達可控矽門 極G後為可控矽門極G提供觸發信號，使得在下一個交流半波到來時，可控矽在交流電壓過 零點Kl點開啟，其中電阻R4用於鉗制可控矽門極G和陰極K間電位，保證可控矽被可靠觸 發。
5.根據權利要求4所述的一種控溫電熱毯可控矽零電壓開啟模塊，其特徵在於所述 電阻R3的阻值大於200K。
6.一種控溫電熱毯可控矽零電壓開啟方法，其特徵在於包括如下步驟(1)將電源交流正弦半波信號整形為同步的方波信號；(2)通過中斷方式實時檢測所述方波信號的下降沿，得到交流電的過零信號點Ml時立 即進行定時控制，在定時4ms 6ms後的Cl點觸發並完成PWM方波的生成，所述PWM方波 的周期< 500us ；(3)在PWM方波到達可控矽門極G後為可控矽門極G提供觸發信號，使得在下一個交流 半波到來時，可控矽在交流電壓過零點Kl點開啟；同時保護可控矽門極G不被誤觸發。
全文摘要
本發明涉及一種控溫電熱毯可控矽零電壓開啟模塊及其實現方法，該開啟模塊由整形電路、MCU和可控矽外圍電路組成，通過引入MCU進行智能控制，易於實現交流電過零點的檢測、與供電電網同步後時間點的控制和PWM波形的生成，從而實現了控制電熱毯可控矽在電壓過零點開啟，與傳統電熱毯可控矽在交流電壓任意一點開啟相比，由於本發明使可控矽開通前電壓先降為零，從而消除了開通過程中電壓、電流的重疊，降低了它們的變化率，從而大大減小甚至消除了損耗和開關噪聲，在延長產品使用壽命的同時，使控溫電熱毯向綠色環保方向發展。
文檔編號H05B1/02GK101964651SQ20101027249
公開日2011年2月2日 申請日期2010年9月3日 優先權日2010年9月3日
發明者李範益, 王冠雅, 祝建彬 申請人:北京時代民芯科技有限公司;中國航天科技集團公司第九研究院第七七二研究所