單相後緣斬波調壓器的製作方法
2023-08-01 22:33:11 3
專利名稱：單相後緣斬波調壓器的製作方法
技術領域：
本實用新型涉及一種交流電調壓器，尤其是一種正弦波過零導通、正弦波後邊緣關斷可控制的單相後緣斬波調壓器。
背景技術：
大功率電力電子器件用於交流電調壓屬於具有廣泛發展潛力的應用。目前的交流電壓調節裝置，除傳統的自耦調壓器外，還有油浸式調壓器，隔離調壓器，感應調壓器，柱式電動調壓器和晶閘管調壓器五種。自耦調壓器應用較為廣泛。但是，自耦調壓器除了體積龐大、設備昂貴的缺點之外，在使用時動觸頭會產生電弧，特別是負載較大時，更容易產生電弧，給生產作業帶來隱患。同時，自耦變壓器由於初次級直接連在一起，沒有隔離作用，低壓側也帶高壓電，容易發生危險事故。其次，是以可控矽為核心器件構成的電力調壓器裝置。可控矽調光器雖然電路簡單、成本低廉，但由於可控矽移相工作時會產生較強的諧波幹擾，若不採取有效的濾波措施，將會妨礙許多電器的使用。另外，可控矽調光器在開通時有一個很陡的前沿，電壓波形從零電壓突然跳高，這對白熾燈類電阻性負載的影響不大，但卻不適合氣體放電光源的調壓使用。因為多數氣體放電光源都需要驅動電路來配合工作，而驅動電路是一種容性負載，可控矽調光器產生的電壓陡增會在容性負載上產生很大的浪湧電流，使電路工作不穩定，甚至造成驅動電路燒毀的故障。目前的大功率電力半導體器件，尤其是金屬氧化物半導體場效應管(MOSFET)、絕緣柵雙極型功率管(IGBT)在新能源、工業自動化(高頻電焊機、高頻超聲波、逆變器、UPS/EPS、感應加熱)領域已有了長足的發展，這些電力半導體器件在交流電調壓裝置中的應用，在完善的工業電路設計下，能長期可靠穩定運行，甚至能超越可控矽的應用範圍。特別是在高頻電路應用領域，由於晶閘管特性為恢復阻斷，唯有使晶閘管的陽極電流減少到維持電流，使其內部正反饋無法維持，晶閘管才會恢復阻斷，故晶閘管無法應用。而MOSFET和IGBT通過投影一個電場在一個絕緣層上來影響流過電晶體的電流，所以其驅動功率很小，開關速度快，飽和壓降低。隨著MOSFET和IGBT的生產工藝不斷成熟，其應用大有趕超晶閘管之勢。但由於此類電力半導體器件的應用技術要求水準更高，若所設計的電氣原理不夠成熟，將會引起諸多問題例如IGBT中存在有寄生晶閘管(M0S柵極的n+p-n-p+半導體結構)，這就使得器件的最大工作電流要受到此寄生晶閘管閉鎖效應的限制，雖採用陰極短路技術可以適當地減弱這種不良影響，但仍將導致拖帶感性負載時產生發熱問題。
發明內容本實用新型的目的是針對目前的晶閘管調壓器電路原理中存在的嚴重的諧波幹擾的問題，設計出一種基於MOSFET和IGBT功率器件的單相後緣斬波調壓器。本實用新型的技術方案是一種單相後緣斬波調壓器，包括同步檢測電路(1)，脈衝波發生電路(2)，隔離驅動電路(3)，工頻斬波電路(4)，穩壓反饋電路(5)相互連接。信號控制電路獲得0-10V、0-5V、4-20mA或電位器的控制信號後，經電晶體放大獲得標準的模擬信號。同步檢測電路(I)經光耦檢測捕捉交流市電正弦波中的過零點，與前述標準的模擬信號共同接入脈衝波發生電路(2)的輸入端。同時，穩壓反饋電路(5)接在輸出負載兩端，當市電發生波動時，有穩壓信號輸入脈衝波發生電路(2)，影響脈衝波的振蕩周期。脈衝波發生電路(2)的輸出端與隔離驅動電路(3)直接相連。隔離驅動電路(3)核心器件為兩隻NPN型三極體和兩隻PNP型三極體。隔離驅動電路(3 )經阻尼電阻推動M0SFET1與M0SFET2(以下簡稱M0S1、M0S2)交替工作，輸出工頻後邊緣斬波電壓。工頻斬波電路(4)分別接市電電源與負載的一端，MOSU M0S2的漏極接市電L和N，MOSU M0S2的源極接感性負載或容性負載RL。負載上輸出波形為後邊緣可調的正弦波，通過對正弦波後邊緣關斷的控制，輸出波形為平均電壓隨信號而調節的後邊緣可調正弦波。所述的後邊緣可調正弦波，從正弦波過零點開始連續全導通，輸出電壓隨正弦波形同步增加。根據信號控制功率場效應電晶體將正弦波在瞬間關斷。所述的後邊緣可調正弦波，從正弦波導通至正弦波關斷的時間At ( O. 5ms。正弦波的正半周關斷時間與負半周關斷時間是相同的。所述的脈衝波發生電路(2)，由MCUl單片機構成。MCUl內置工作電源單元、時鐘源單元、復位信號單元、脈衝波發生單元、穩壓反饋單元、相位信號檢測單元。MCUl的輸入端引腳I和引腳16接收同步檢測電路(I)信號，引腳7接收穩壓反饋電路(5)信號。輸出提供PWM高低電平，通過引腳11與引腳14將PWM脈衝波輸入隔離驅動電路(3)驅動放大。所述的隔離驅動電路(3)，分為隔離正驅動電路與隔離負驅動電路，由NPN型三極體Ql和Q3，PNP型三極體Q2和Q4，電容C1、C2，基極偏置電阻R5、R9，阻尼電阻R7、R11，隔離變壓器B1、B2構成。MCUl的引腳14接Ql和Q2的基極，QU Q2的發射極經R6和Cl接在隔離變壓器BI的初級端。引腳11接Q3和Q4的基極，Q3、Q4的發射極經RlO和C2接在隔離變壓器B2的初級端。阻尼電阻的作用是防止M0S1、M0S2柵極、源極端電壓振蕩的作用。此處因要求有較高的頻率，故對漏感不做要求，該阻尼電阻阻值較小。所述的工頻斬波電路(4)，由場效應管M0S1、M0S2，電阻R13、R14，電感L1、L2，電容C1、C2，以及二極體D1、D2構成。M0S1、M0S2的控制極分別從各自的柵極引出，MOSl柵極與阻尼電阻R7相連，M0S2柵極與阻尼電阻Rll相連。MOSl的源極與漏極之間並接二極體D1，同時也並聯電阻Rl和Cl的串聯支路。電感LI接在MOSl的源極和二極體Dl的陽極之間。M0S2的源極與漏極之間並接二極體D2，電阻R2和電容C2的串聯支路與之並接，電感L2接在M0S2的源極和二極體D2對的陽極之間。MOSl和M0S2的漏極引出接市電電源L和N，MOSl和M0S2的源極分別引出接負載，由此構成交流迴路。所述的穩壓反饋電路(5)，由隔離變壓器B3，運算放大器U2，電阻R15、R16、R17、R18構成。隔離變壓器B3的初級側跨接負載，次級一端接地，另一端通過R17、R16分壓之後輸入運算放大器U2的反相輸入端。運算放大器U2的同相輸入端接地，輸出端經R18與MCUl的引腳7相連。本實用新型具有的優勢分為以下方面。1.負載上波形過零時隨標準正弦波逐漸增大，負載波形不失真。可隨輸入控制信號調節輸出電壓，控制正弦波停止導通，調節平均電壓。2.負載波形上昇平穩，適合感性負載調壓，也適合容性負載充電過程。3.後緣斬波調壓避免了現有的晶閘管移相調壓技術的輸出波形中電壓上升的突變，以及引起的諧波幹擾問題，減少損耗的電能。[0016]4.避免了功率元件工作在放大區，其發熱損耗微小，僅需使用簡單的散熱材料，從 而減小了本實用新型設備的體積。[0017]5.後邊緣斬波調壓的設計，不僅可以應用在單相市電中，也可以通過對三組 MOSFET或IGBT的通斷控制實現基於三相電的應用。[0018]6.本實用新型電路原理簡單，所用元器件較少，易於模塊化，可作為核心調壓裝 置嵌入大型自動化工控設備之中。
[0019]圖1是本實用新型的基本電路結構原理圖。[0020]圖2是本實用新型負載上承載的後邊緣可調的正弦波波形圖。[0021]圖3是本實用新型基於MOSFET應用的一個實施例具體電路圖。[0022]圖4是本實用新型經模塊化封裝後的一個實施例裝置外形圖。
具體實施方式
[0023]
以下結合附圖和實施例對本實用新型作進一步的說明。通過
以下結合附圖的描 述，本實用新型前述的特徵和優點將突出顯現。[0024]圖1給出了本實用新型的基本電路結構原理圖。信號控制電路獲得0-10V、0_5V、 4-20mA或電位器的控制信號後，經電晶體放大獲得標準的模擬信號用以控制正弦波的後邊 緣。同步檢測電路(I)經光耦檢測捕捉交流市電正弦波中的過零點，與前述標準的模擬信 號共同接入脈衝波發生電路(2)的輸入端。同時，穩壓反饋電路(5)接在脈衝波發生電路(2)的輸入端，當市電發生波動時，有穩壓信號輸入脈衝波發生電路(2)，影響脈衝波的發生 周期。脈衝波發生電路(2)的輸出端與隔離驅動電路(3)直接相連。隔離驅動電路(3)核 心器件為兩隻NPN型三極體和兩隻PNP型三極體。隔離驅動電路(3)經阻尼電阻推動MOSl 與M0S2交替工作，輸出工頻後緣斬波電壓。工頻斬波電路(4)分別接市電電源與負載的一 端，MOSl的漏極接市電L和N，M0S2的漏極接感性負載或容性負載RL。[0025]負載上輸出波形為後邊緣可調的正弦波如圖2所示。通過對正弦波後邊緣關斷 的控制，輸出波形為平均電壓隨信號而調節的後邊緣可調正弦波。負載上波形從正弦波過 零點開始連續全導通，輸出電壓隨正弦波形同步增加。根據信號控制MOSFET將正弦波在極 短的時間內關斷。通過高頻率響應的M0SFET，可以實現從正弦波導通至正弦波關斷的時間 At ( O. 5msο正弦波的正半周關斷時間與負半周關斷時間是相同的。[0026]圖3中插入的電路圖是本實用新型基於MOSFET應用的一個實施例具體電路圖。 同步檢測電路(I)由經電阻R3、R4、光耦PC1、PC2檢測捕捉交流市電正弦波中的過零點。當 輸入正弦波為正半周時，光耦PC2發光工作，光耦PCl停止工作，工作電源VCC經R2接地； 當輸入正弦波為負半周時，光耦PCl發光工作，光耦PC2停止工作，工作電源VCC經Rl接地。 正弦波無論正半周還是負半周，其過零的中點都將被同步檢測電路(I)檢出，並將正弦波同 步信息輸入脈衝波發生電路(2)。同時，穩壓反饋電路(5)接在脈衝波發生電路(2)的輸入 端，當市電發生波動時，有穩壓信號導入脈衝波發生電路(2)。[0027]如圖3所示，脈衝波發生電路(2)由MCUl單片機構成。MCUl內置工作電源單元、時鐘源單元、復位信號單元、脈衝波發生單元、穩壓反饋單元、相位信號檢測單元。MCUl的輸入端引腳I和引腳16接收同步檢測電路(I)信號，引腳7接收穩壓反饋電路(5)信號。輸出提供PWM高低電平，通過引腳11與引腳14將PWM脈衝波輸入隔離驅動電路(3)驅動放大。圖3中，隔離驅動電路(3)由NPN型三極體Ql與Q3、PNP型三極體Q2與Q4、隔離變壓器 B1、B2，耦合電容 Cl、C2，穩壓二極體 ZD1、ZD2、ZD3、ZD4，電阻 R5、R6、R7、R8、R9、RIO、R11、R12組成。其中R7、Rll為阻尼電阻，R5和R9為基極偏置電阻。隔離驅動電路(3)的輸入端接脈衝波發生電路(2)的引腳14與引腳11。由於此處為正激式隔離驅動電路
(3)，所以阻尼電阻R7、R11的作用是用於消除M0S1、M0S2的在關斷過程中輸出電壓因產生的振蕩現象而發生失去控制的現象。VCC為高頻開關管Q1、Q2、Q3、Q4的工作電源。脈衝波發生電路(2)的兩個輸出端分別接高頻開關管Q1Q2與Q3Q4，R5 一端連接工作電源VCC，另一端與聞頻開關管Ql與Q2的基極公共端相連。聞頻開關管Ql的發射極與Q2的發射極相連，其公共端通過R6與耦合電容Cl相連接。高頻開關管Ql的集電極接工作電源VCC，Q2的集電極接地。隔離變壓器BI的初級一端與耦合電容Cl相連，另一端接地。隔離變壓器BI的次級兩端之間接有陰極相對的穩壓二極體ZD1、ZD2，阻尼電阻R7的一端與穩壓二極體ZDl的陽極相連，另一端與MOSl的柵極相連接。R8跨接在MOSl的柵極和源極之間。R9 —端連接工作電源VCC，另一端與高頻開關管Q3與Q4的基極公共端相連。高頻開關管Q3的發射極與Q4的發射極相連，其公共端通過RlO與耦合電容C2相連接。高頻開關管Q3的集電極接工作電源VCC，Q4的集電極接地。隔離變壓器B2的初級一端與耦合電容C2相連，另一端接地。隔離變壓器B2的次級兩端之間接有陰極相對的穩壓二極體ZD3、ZD4，阻尼電阻Rll的一端與穩壓二極體ZD3的陽極相連，另一端與M0S2的柵極相連接。R12跨接在MOSl的柵極和源極之間。當引腳14輸出為高電平時，引腳11輸出為低電平，此時脈衝波發生電路(2)產生的PWM信號經隔離電容Cl進入隔離變壓器BI初級，次級經穩壓二極體ZD1、ZD2穩壓後通過R7使MOSl工作。當引腳11輸出為高電平時，引腳14輸出為低電平，此時脈衝波發生電路(2)產生的PWM信號經隔離電容C2進入隔離變壓器B2初級，次級經穩壓二極體ZD3、ZD4穩壓後通過Rll使M0S2工作。此處因要求有較高的頻率，故對隔離變壓器B1、B2的漏感不做要求，且阻尼電阻R7、R11阻值較小。優選的，阻尼電阻R7、Rll阻值較小，可選定範圍為IK至1. 5K，其作用是防止MOSUM0S2柵極與源極端電壓振蕩的效應。如圖所示，工頻斬波電路(4)由場效應管M0S1、M0S2，電阻R13、R14，電感L1、L2，電容C1、C2，以及二極體D1、D2構成。M0S1、M0S2的控制極分別從各自的柵極引出，MOSl柵極與阻尼電阻R7相連，M0S2柵極與阻尼電阻Rll相連。MOSl的源極與漏極之間並接二極體D1，同時也並聯電阻Rl和Cl的串聯支路。電感LI接在MOSl的源極和二極體Dl的陽極之間。M0S2的源極與漏極之間並接二極體D2，電阻R2和電容C2的串聯支路與之並接，電感L2接在M0S2的源極和二極體D2對的陽極之間。MOSl和M0S2的漏極引出接市電電源L和N，MOSl和M0S2的源極分別引出接負載，由此構成交流迴路。當MOSl管接收PWM信號而導通工作時，M0S2管關閉；脈衝波發生電路(2)根據控制信號，調整MOSl的關閉時間，使得MOSl在過零後的t時刻部分關斷(靜態閂鎖消失)，在t+At的時刻完全關斷。穩壓反饋電路(5)包括了隔離變壓器B3，運算放大器U2，電阻R15、R16、R17、R18元件。隔離變壓器B3的初級跨接負載，次級一端接地，另一端通過電阻R16、R17接地。運算放大器U2的同相輸入端接地，輸出端經R18與MCUl的引腳7相連。取樣信號經隔離變壓器B3無失真取樣後經R16、R17分壓後通過R15輸入運算放大器U2的反相輸入端，取樣信號過零比較後產品反饋信號輸入MCUl處理。在此描述本實用新型的優選實施例僅出於舉例說明的目的。在此描述的各個特徵無需被同時使用，並且這些特徵中的任何一個或多個都可以被結合在單個實施例中。因此，本領域普通技術人員將從該描述中認識到也可以用各種修改和變化來實現其他實施例。
權利要求1.一種單相後緣斬波調壓器，包括同步檢測電路(1)，脈衝波發生電路(2)，隔離驅動電路(3)，工頻斬波電路(4)，穩壓反饋電路(5)相互連接；其特徵是所述的調壓器驅動的負載上波形為後邊緣可調正弦波，通過對正弦波後邊緣關斷的控制，整個正弦波周期內平均電壓隨信號而調節。
2.根據權利要求1所述的單相後緣斬波調壓器，其特徵是所述的工頻斬波電路(4)， 包括電力半導體器件為功率電晶體(GTR)、功率場效應電晶體(M0SFET)、絕緣柵雙極電晶體(IGBT)。
3.根據權利要求1所述的單相後緣斬波調壓器，其特徵是所述的後邊緣可調正弦波， 從正弦波過零點開始連續全導通，輸出電壓隨正弦波形同步增加。
4.根據權利要求1所述的單相後緣斬波調壓器，其特徵是所述的後邊緣可調正弦波， 根據信號控制功率電晶體(GTR)、功率場效應電晶體(M0SFET)、絕緣柵雙極電晶體(IGBT) 將正弦波瞬時關斷，從正弦波開始關斷至正弦波完全關斷的時間At ( O. 5ms。
5.根據權利要求1所述的單相後緣斬波調壓器，其特徵是所述的後邊緣可調正弦波， 正弦波的正半周關斷時間與負半周關斷時間是相同的。
專利摘要本實用新型公開了一種單相後緣斬波調壓器，包括同步檢測電路，脈衝波發生電路，隔離驅動電路，工頻斬波電路，穩壓反饋電路相互連接。伴隨著白熾燈等阻性光源淘汰的不斷加快，用戶對呈感性阻抗的日光燈、對呈容性阻抗的氣體燈等負載進行調壓的需求開始逐漸增多,可控矽調壓器諧波幹擾的弊端逐漸顯現出來。而單相後緣斬波調壓器使用MOSFET或IGBT作為核心器件，負載上輸出波形為後邊緣可調的正弦波，通過對正弦波後邊緣關斷的控制，波形隨信號控制而改變，電壓緩慢上升，對負載無衝擊。本實用新型電氣結構簡單，成本較低，可對感性負載及容性負載起到良好的調壓效果，避免了可控矽調壓器電壓跳變導致浪湧電流衝擊負載的現象，具有較大市場應用的潛力。
文檔編號H02M5/293GK202840970SQ20122041832
公開日2013年3月27日 申請日期2012年8月22日 優先權日2012年8月22日
發明者盛永富, 王建法, 葛國強 申請人:杭州龍科電子有限公司