专利名称：单相后缘斩波调压器的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种交流电调压器，尤其是一种正弦波过零导通、正弦波后边缘关断可控制的单相后缘斩波 调压器。
背景技术：
大功率电力电子器件用于交流电调压属于具有广泛发展潜力的应用。目前的交流电压调节装置，除传统的自耦调压器外，还有油浸式调压器，隔离调压器，感应调压器，柱式电动调压器和晶闸管调压器五种。自耦调压器应用较为广泛。但是，自耦调压器除了体积庞大、设备昂贵的缺点之外，在使用时动触头会产生电弧，特别是负载较大时，更容易产生电弧，给生产作业带来隐患。同时，自耦变压器由于初次级直接连在一起，没有隔离作用，低压侧也带高压电，容易发生危险事故。其次，是以可控硅为核心器件构成的电力调压器装置。可控硅调光器虽然电路简单、成本低廉，但由于可控硅移相工作时会产生较强的谐波干扰，若不采取有效的滤波措施，将会妨碍许多电器的使用。另外，可控硅调光器在开通时有一个很陡的前沿，电压波形从零电压突然跳高，这对白炽灯类电阻性负载的影响不大，但却不适合气体放电光源的调压使用。因为多数气体放电光源都需要驱动电路来配合工作，而驱动电路是一种容性负载，可控硅调光器产生的电压陡增会在容性负载上产生很大的浪涌电流，使电路工作不稳定，甚至造成驱动电路烧毁的故障。目前的大功率电力半导体器件，尤其是金属氧化物半导体场效应管(MOSFET)、绝缘栅双极型功率管(IGBT)在新能源、工业自动化(高频电焊机、高频超声波、逆变器、UPS/EPS、感应加热)领域已有了长足的发展，这些电力半导体器件在交流电调压装置中的应用，在完善的工业电路设计下，能长期可靠稳定运行，甚至能超越可控硅的应用范围。特别是在高频电路应用领域，由于晶闸管特性为恢复阻断，唯有使晶闸管的阳极电流减少到维持电流，使其内部正反馈无法维持，晶闸管才会恢复阻断，故晶闸管无法应用。而MOSFET和IGBT通过投影一个电场在一个绝缘层上来影响流过晶体管的电流，所以其驱动功率很小，开关速度快，饱和压降低。随着MOSFET和IGBT的生产工艺不断成熟，其应用大有赶超晶闸管之势。但由于此类电力半导体器件的应用技术要求水准更高，若所设计的电气原理不够成熟，将会引起诸多问题例如IGBT中存在有寄生晶闸管(M0S栅极的n+p-n-p+半导体结构)，这就使得器件的最大工作电流要受到此寄生晶闸管闭锁效应的限制，虽采用阴极短路技术可以适当地减弱这种不良影响，但仍将导致拖带感性负载时产生发热问题。
发明内容
本发明的目的是针对目前的晶闸管调压器电路原理中存在的严重的谐波干扰的问题，设计出一种基于MOSFET和IGBT功率器件的单相后缘斩波调压器。本发明的技术方案是一种单相后缘斩波调压器，包括同步检测电路(1)，脉冲波发生电路(2)，隔离驱动电路(3)，工频斩波电路(4)，稳压反馈电路(5)相互连接。信号控制电路获得0-10V、0-5V、4-20mA或电位器的控制信号后，经晶体管放大获得标准的模拟信号。同步检测电路(I)经光耦检测捕捉交流市电正弦波中的过零点，与前述标准的模拟信号共同接入脉冲波发生电路(2)的输入端。同时，稳压反馈电路(5)接在输出负载两端，当市电发生波动时，有稳压信号输入脉冲波发生电路(2)，影响脉冲波的振荡周期。脉冲波发生电路(2)的输出端与隔离驱动电路(3)直接相连。隔离驱动电路(3)核心器件为两只NPN型三极管和两只PNP型三极管。隔离驱动电路(3 )经阻尼电阻推动M0SFET1与M0SFET2(以下简称M0S1、M0S2)交替工作，输出工频后边缘斩波电压。工频斩波电路(4)分别接市电电源与负载的一端，MOSU M0S2的漏极接市电L和N，MOSU M0S2的源极接感性负载或容性负载RL。负载上输出波形为后边缘可调的正弦波，通过对正弦波后边缘关断的控制，输出波形为平均电压随信号而调节的后边缘可调正弦波。所述的后边缘可调正弦波，从正弦波过零点开始连续全导通，输出电压随正弦波形同步增加。根据信号控制功率场效应晶体管将正弦波在瞬间关断。所述的后边缘可调正弦波，从正弦波导通至正弦波关断的时间At ( O. 5ms。正弦 波的正半周关断时间与负半周关断时间是相同的。所述的脉冲波发生电路(2)，由MCUl单片机构成。MCUl内置工作电源单元、时钟源单元、复位信号单元、脉冲波发生单元、稳压反馈单元、相位信号检测单元。MCUl的输入端引脚I和引脚16接收同步检测电路(I)信号，引脚7接收稳压反馈电路(5)信号。输出提供PWM高低电平，通过引脚11与引脚14将PWM脉冲波输入隔离驱动电路(3)驱动放大。所述的隔离驱动电路(3)，分为隔离正驱动电路与隔离负驱动电路，由NPN型三极管Ql和Q3，PNP型三极管Q2和Q4，电容C1、C2，基极偏置电阻R5、R9，阻尼电阻R7、R11，隔离变压器BI、B2构成。MCUl的引脚14接Ql和Q2的基极，QU Q2的发射极经R6和Cl接在隔离变压器BI的初级端。引脚11接Q3和Q4的基极，Q3、Q4的发射极经RlO和C2接在隔离变压器B2的初级端。阻尼电阻的作用是防止M0S1、M0S2栅极、源极端电压振荡的作用。此处因要求有较高的频率，故对漏感不做要求，该阻尼电阻阻值较小。所述的工频斩波电路(4)，由场效应管M0S1、M0S2，电阻R13、R14，电感L1、L2，电容C1、C2，以及二极管D1、D2构成。M0S1、M0S2的控制极分别从各自的栅极引出，MOSl栅极与阻尼电阻R7相连，M0S2栅极与阻尼电阻Rll相连。MOSl的源极与漏极之间并接二极管D1，同时也并联电阻Rl和Cl的串联支路。电感LI接在MOSl的源极和二极管Dl的阳极之间。M0S2的源极与漏极之间并接二极管D2，电阻R2和电容C2的串联支路与之并接，电感L2接在M0S2的源极和二极管D2对的阳极之间。MOSl和M0S2的漏极引出接市电电源L和N，MOSl和M0S2的源极分别引出接负载，由此构成交流回路。所述的稳压反馈电路(5)，由隔离变压器B3，运算放大器U2，电阻R15、R16、R17、R18构成。隔离变压器B3的初级侧跨接负载，次级一端接地，另一端通过R17、R16分压之后输入运算放大器U2的反相输入端。运算放大器U2的同相输入端接地，输出端经R18与MCUl的引脚7相连。本发明具有的优势分为以下方面。I.负载上波形过零时随标准正弦波逐渐增大，负载波形不失真。可随输入控制信号调节输出电压，控制正弦波停止导通，调节平均电压。2.负载波形上升平稳，适合感性负载调压，也适合容性负载充电过程。3.后缘斩波调压避免了现有的晶闸管移相调压技术的输出波形中电压上升的突变，以及引起的谐波干扰问题，减少损耗的电能。4.避免了功率元件工作在放大区，其发热损耗微小，仅需使用简单的散热材料，从而减小了本发明设备的体积。5.后边缘斩波调压的设计，不仅可以应用在单相市电中，也可以通过对三组MOSFET或IGBT的通断控制实现基于三相电的应用。6.本发明电路原理简单，所用元器件较少，易于模块化，可作为核心调压装置嵌入大型自动化工控设备之中。
图I是本发明的基本电路结构原理图。图2是本发明负载上承载的后边缘可调的正弦波波形图。图3是本发明基于MOSFET应用的一个实施例具体电路图。图4是本发明经模块化封装后的一个实施例装置外形图。
具体实施例方式下面结合附图和实施例对本发明作进一步的说明。通过下面结合附图的描述，本发明前述的特征和优点将突出显现。图I给出了本发明的基本电路结构原理图。信号控制电路获得0-10V、0_5V、4-20mA或电位器的控制信号后，经晶体管放大获得标准的模拟信号用以控制正弦波的后边缘。同步检测电路(I)经光耦检测捕捉交流市电正弦波中的过零点，与前述标准的模拟信号共同接入脉冲波发生电路(2)的输入端。同时，稳压反馈电路(5)接在脉冲波发生电路
(2)的输入端，当市电发生波动时，有稳压信号输入脉冲波发生电路(2)，影响脉冲波的发生周期。脉冲波发生电路(2)的输出端与隔离驱动电路(3)直接相连。隔离驱动电路(3)核心器件为两只NPN型三极管和两只PNP型三极管。隔离驱动电路(3)经阻尼电阻推动MOSl与M0S2交替工作，输出工频后缘斩波电压。工频斩波电路(4)分别接市电电源与负载的一端，MOSl的漏极接市电L和N，M0S2的漏极接感性负载或容性负载RL。负载上输出波形为后边缘可调的正弦波如图2所示。通过对正弦波后边缘关断的控制，输出波形为平均电压随信号而调节的后边缘可调正弦波。负载上波形从正弦波过零点开始连续全导通，输出电压随正弦波形同步增加。根据信号控制MOSFET将正弦波在极短的时间内关断。通过高频率响应的M0SFET，可以实现从正弦波导通至正弦波关断的时间At ( O. 5msο正弦波的正半周关断时间与负半周关断时间是相同的。图3中插入的电路图是本发明基于MOSFET应用的一个实施例具体电路图。同步检测电路(I)由经电阻R3、R4、光耦PCI、PC2检测捕捉交流市电正弦波中的过零点。当输入正弦波为正半周时，光耦PC2发光工作，光耦PCl停止工作，工作电源VCC经R2接地；当输入正弦波为负半周时，光耦PCl发光工作，光耦PC2停止工作，工作电源VCC经Rl接地。正弦波无论正半周还是负半周，其过零的中点都将被同步检测电路(I)检出，并将正弦波同步信息输入脉冲波发生电路(2)。同时，稳压反馈电路(5)接在脉冲波发生电路(2)的输入端，当市电发生波动时，有稳压信号导入脉冲波发生电路(2)。如图3所示，脉冲波发生电路(2)由MCUl单片机构成。MCUl内置工作电源单元、时钟源单元、复位信号单元、脉冲波发生单元、稳压反馈单元、相位信号检测单元。MCUl的输入端引脚I和引脚16接收同步检测电路(I)信号，引脚7接收稳压反馈电路(5)信号。输出提供PWM高低电平，通过引脚11与引脚14将PWM脉冲波输入隔离驱动电路(3)驱动放大。图3中，隔离驱动电路(3)由NPN型三极管Ql与Q3、PNP型三极管Q2与Q4、隔离变压器 BI、B2，耦合电容 Cl、C2，稳压二极管 ZD1、ZD2、ZD3、ZD4，电阻 R5、R6、R7、R8、R9、RIO、R11、R12组成。其中R7、Rll为阻尼电阻，R5和R9为基极偏置电阻。隔离驱动电路
(3)的输入端接脉冲波发生电路(2)的引脚14与引脚11。由于此处为正激式隔离驱动电路
(3)，所以阻尼电阻R7、R11的作用是用于消除M0S1、M0S2的在关断过程中输出电压因产生的振荡现象而发生失去控制的现象。VCC为高频开关管Q1、Q2、Q3、Q4的工作电源。脉冲波发生电路(2)的两个输出端分别接高频开关管Q1Q2与Q3Q4，R5 一端连接工作电源VCC，另一端与闻频开关管Ql与Q2的基极公共端相连。闻频开关管Ql的发射极与Q2的发射极相连，其公共端通过R6与耦合电容Cl相连接。高频开关管Ql的集电极接工作电源VCC，Q2的集电极接地。隔离变压器BI的初级一端与耦合电容Cl相连，另一端接地。隔离变压器BI的次级两端之间接有阴极相对的稳压二极管ZD1、ZD2，阻尼电阻R7的一端与稳压二极管ZDl的阳极相连，另一端与MOSl的栅极相连接。R8跨接在MOSl的栅极和源极之间。R9 —端连接工作电源VCC，另一端与高频开关管Q3与Q4的基极公共端相连。高频开关管Q3的发射极与Q4的发射极相连，其公共端通过RlO与耦合电容C2相连接。高频开关管Q3的集电极接工作电源VCC，Q4的集电极接地。隔离变压器B2的初级一端与耦合电容C2相连，另一端接地。隔离变压器B2的次级两端之间接有阴极相对的稳压二极管ZD3、ZD4，阻尼电阻Rll的一端与稳压二极管ZD3的阳极相连，另一端与M0S2的栅极相连接。R12跨接在MOSl的栅极和源极之间。当引脚14输出为高电平时，引脚11输出为低电平，此时脉冲波发生电路(2)产生的PWM信号经隔离电容Cl进入隔离变压器BI初级，次级经稳压二极管ZD1、ZD2稳压后通过R7使MOSl工作。当引脚11输出为高电平时，引脚14输出为低电平，此时脉冲波发生电路(2)产生的PWM信号经隔离电容C2进入隔离变压器B2初级，次级经稳压二极管ZD3、ZD4稳压后通过Rll使M0S2工作。此处因要求有较高的频率，故对隔离变压器BI、B2的漏感不做要求，且阻尼电阻R7、R11阻值较小。优选的，阻尼电阻R7、Rll阻值较小，可选定范围为IK至I. 5K，其作用是防止MOSUM0S2栅极与源极端电压振荡的效应。如图所示，工频斩波电路(4)由场效应管M0S1、M0S2，电阻R13、R14，电感L1、L2，电容C1、C2，以及二极管D1、D2构成。M0S1、M0S2的控制极分别从各自的栅极引出，MOSl栅极与阻尼电阻R7相连，M0S2栅极与阻尼电阻Rll相连。MOSl的源极与漏极之间并接二极管D1，同时也并联电阻Rl和Cl的串联支路。电感LI接在MOSl的源极和二极管Dl的阳极之间。M0S2的源极与漏极之间并接二极管D2，电阻R2和电容C2的串联支路与之并接，电感L2接在M0S2的源极和二极管D2对的阳极之间。MOSl和M0S2的漏极引出接市电电源L和N，MOSl和M0S2的源极分别引出接负载，由此构成交流回路。当MOSl管接收PWM信号而导通工作时，M0S2管关闭；脉冲波发生电路(2)根据控制信号，调整MOSl的关闭时间，使得MOSl在过零后的t时刻部分关断(静态闩锁消失)，在t+At的时刻完全关断。稳压反馈电路(5)包括了隔离变压器B3，运算放大器U2，电阻R15、R16、R17、R18元件。隔离变压器B3的初级跨接负载，次级一端接地，另一端通过电阻R16、R17接地。运算放大器U2的同相输入端接地，输出端经R18与MCUl的引脚7相连。取样信号经隔离变压器B3无失真取样后经R16、R17分压后通过R15输入运算放大器U2的反相输入端，取样信号过零比较后产品反馈信号输入MCUl处理。在此描述本发明的优选实施例仅出于举例说明的目的。在此描述的各个特征无需被同时使用，并且这些特征中的任何一个或多个都可以被结合在单个实施例中。因此，本领域普通技术人员将从该描述中认识到也可以用各种修改和变化来实现其他实施例。
权利要求
1.一种单相后缘斩波调压器，包括同步检测电路(1)，脉冲波发生电路(2)，隔离驱动电路(3)，工频斩波电路(4)，稳压反馈电路(5)相互连接；其特征是所述的调压器驱动的负载上波形为后边缘可调正弦波，通过对正弦波后边缘关断的控制，整个正弦波周期内平均电压随信号而调节。
2.根据权利要求I所述的单相后缘斩波调压器，其特征是所述的工频斩波电路(4)，包括电力半导体器件为功率晶体管(GTR)、功率场效应晶体管(MOSFET)、绝缘栅双极晶体管(IGBT)。
3.根据权利要求I所述的单相后缘斩波调压器，其特征是所述的后边缘可调正弦波，从正弦波过零点开始连续全导通，输出电压随正弦波形同步增加。
4.根据权利要求I所述的单相后缘斩波调压器，其特征是所述的后边缘可调正弦波，根据信号控制功率晶体管(GTR)、功率场效应晶体管(MOSFET)、绝缘栅双极晶体管(IGBT)将正弦波瞬时关断，从正弦波开始关断至正弦波完全关断的时间At ( O. 5ms。
5.根据权利要求I所述的单相后缘斩波调压器，其特征是所述的后边缘可调正弦波，正弦波的正半周关断时间与负半周关断时间是相同的。
全文摘要
本发明公开了一种单相后缘斩波调压器，包括同步检测电路，脉冲波发生电路，隔离驱动电路，工频斩波电路，稳压反馈电路相互连接。伴随着白炽灯等阻性光源淘汰的不断加快，用户对呈感性阻抗的日光灯、对呈容性阻抗的气体灯等负载进行调压的需求开始逐渐增多,可控硅调压器谐波干扰的弊端逐渐显现出来。而单相后缘斩波调压器使用MOSFET或IGBT作为核心器件，负载上输出波形为后边缘可调的正弦波，通过对正弦波后边缘关断的控制，波形随信号控制而改变，电压缓慢上升，对负载无冲击。本发明电气结构简单，成本较低，可对感性负载及容性负载起到良好的调压效果，避免了可控硅调压器电压跳变导致浪涌电流冲击负载的现象，具有较大市场应用的潜力。
文档编号H02M5/293GK102780403SQ20121030038
公开日2012年11月14日 申请日期2012年8月22日 优先权日2012年8月22日
发明者王建法, 盛永富, 葛国强 申请人:杭州龙科电子有限公司