专利名称：零电位软启动桥式整流一体化组(器)件(软桥)的制作方法
技术领域：
本发明属于电子器件领域，涉及一种对正弦交流电源进行全波整流的零电位软启动桥式整流一体化、系列化组(器)件产品。
在电子整流器件中，人们最熟悉的是由四只二极管相互连接构成的桥式整流器。长期以来，桥式整流方式，因电路结构简单，整流性能优越，获得了广泛的应用，是电子整流技术的主要理论支柱。但是，桥式整流方式，在电容性负载情况下，自身无法解决电路合闸瞬间的浪涌电流问题，需要借助一定的辅助电路进行“软启动”。
为便于说明，现将桥式整流器及相关的软启动电路联合在一起研究，并作如下划分1、把四只二极管相互连接构成的传统桥式整流器称为“硬桥”；2、把能够对“硬桥”起扼制浪涌电流作用，但无法实现从零电位起始输出脉动直流电压的软启动措施称为“准软启动方式”；3、把合闸后，一定从随后的交流电某次零电位时起，开始脉动直流电压输出，而且具有“硬桥”用法特征的软启动桥式整流一体化电路，称为“软桥”。
从事本领域研究的技术人员都知道，将正弦交流电源转换成平稳的直流电源，是电子工程中电源转换技术的基本内容，是一项非常重要的工作。在交直流电源转换方式中，最广泛应用的方案是“硬桥”整流加电容器滤波、再经开关电路或线性电路稳压。由于“硬桥”整流、电容器滤波电路在开机时，如果交流电瞬间电位正处于较高值，将产生较大的浪涌电流，当浪涌电流很大时会带来如下坏处一、烧坏电源开关触点；二、对整流器二极管电流容量要求大；三、加速滤波电容器老化；四、难以合理选择电源保险丝容量。因此，工程上必须采取一定的“软启动”措施，以扼制较大的浪涌电流。
关于“软启动”方式，《新型开关电源及其应用》(何1才编著，人民邮电出版社出版发行，1996年5月第1版，1997年4月北京第2次印刷，书号ISBN7-06096-7/TN·1074)一书，在第六章开关电源电路设计(第48-82页)，6-5开关电源输入回路的设计(第76-82页)二、冲击电流抑制回路的设计(第79-80页)中，归纳了四种其中(a)串联电阻方式；(b)功率热敏电阻方式；(c)双向可控硅开关元件方式；(d)晶闸管方式。《开关电源的设计与应用》(赵效敏编，上海科学普及出版社出版，1995年9月第1版，1996年2月第2次印刷，书号ISBN 7-5427-0935-6/TN·15，〈沪)新登字第305号)一书，在第六章，最新开关电源元器件的特性与应用(第219-281页)，一、输入桥式二极管(第219-223页)3、未来的输入桥式整流二极管(第221-222页)中，也提出了晶闸管方式。
就国内外在这一领域的现状和研究成果来看，目前，实现“软启动”的主要技术方案可以归纳为三种第一种，当输出功率较低时，在滤波电容器输入侧回路中直接串接限流电阻器；第二种，当输出功率较大时，在限流电阻器两端并接继电器开关，继电器开关在电源输出基本平稳时将限流电阻器短路，以避免电阻器消耗功率；第三种，如果输出功率较大，使用继电器在结构上不方便，通常用晶闸管替代继电器。以上三种方案虽然能够在一定程度上比较有效地扼制浪涌电流，但由于采用限流的方法，从本质上讲，仍是一种被动的措施。在实际应用中，上述方案存在着以下四点实质性缺陷第一、需要一个较大功率的电阻器；第二、继电器和晶闸管控制信号需从电源输出端取得；第三、继电器体积较大，不便做成集成电路，而晶闸管及相应的控制电路，如果采用分立元件方案，会使电路结构松散，如果与其它电路一起做成集成电路，又有引脚多，功耗大等麻烦；第四、最重要的问题是三个软启动方案均无法实现脉动直流电源输出从交流电零电位时起始，其“软启动”是相对的，是“准软启动方式”。经检索，目前国内外尚无更好的办法解决浪涌电流问题，以实现真正意义上的“软启动”。
随着电子信息产业的蓬勃发展，特别是开关电源的广泛应用，并逐步向中大功率方向发展，而开关电源的输入侧电源，通常是直接对电网交流电进行全波整流，再用电容器进行平滑滤波的，开关电源功率越大，合闸时瞬间浪涌电流大的矛盾就越突出，迫切要求深入研究和大量生产制造真正能够从零电位开始整流输出的“软桥”，以满足各种电器产品制造之需。
本发明的任务是设计一种可以实现从零电位软启动，合闸时不产生浪涌电流，能满足各种电器产品制造需要的“软桥”。
本发明技术方案是由“双桥整流电路”(1)、“直流电源电路”(2)、“零电位识别电路”(3)、“触发电路”(4)、“晶闸管开关电路”(5)相互连接组成。整流电路合闸工作时，不论合闸时交流电瞬间电位如何，组件脉动直流电压输出，总是在合闸后，又经交流电若干周期的某一次零电位起始的，实现了真正意义下的“零电位软启动”输出，电性能更加安全可靠。
本发明具体技术方案如下1、通常，桥式整流器输出端与平滑滤波电容器及负载电路相并联。把整流器输出端作为一个二端网络单元，把平滑滤波电容器与负载电路相并联后的电路作为另一个二端网络单元，则，这两个二端网络构成一个闭合的回路。如果在这个闭合的回路中串联接入一只单向晶闸管构成的“晶闸管电子开关”，就可以借助对晶闸管工作状态的控制，实现对整流回路导通情况的控制。由于桥式整流器输入端经合闸接入交流电时，相应时刻的交流电瞬间电位是不可预知的，为防止合闸瞬间，因交流电瞬间电位较高，在整流器输出回路中产生很大的浪涌电流，应该让晶闸管在合闸瞬间不导通，何时可以导通，由特定的电路自动识别并选定，如果选择在全波整流输出的直流脉动信号电位由高向低过渡并接近于零电位时，让晶闸管导通，由于此时的整流滤波回路是从下一个脉动信号零电位时开始导通的，所以不会产生瞬间浪涌电流。这样，晶闸管就具有两个基本特征第一，晶闸管作为一个独立的电子开关，不依赖于其它元器件；第二，晶闸管电子开关只在脉动直流电压回零时才让整流回路合闸导通。
2、晶闸管导通与否，由“零电位识别电路”决定，“零电位识别电路”以某一个确定的较低电位为参考点，当检测到脉动直流电压瞬时电位高于参考电位时，输出零电平，而低于参考电位时输出高电平。从时域概念上讲，就是在全波整流器输出的脉动直流电压两个脉动信号之间，产生一个正向的零电位识别窄脉冲信号，对这个信号进行适当处理后，可以用来控制晶闸管，决定桥式整流器是否真正从零电位开始软启动输出。
3、由于“零电位识别电路”产生的触发脉冲宽度很窄，在这个正向脉冲持续期间，相对应的全波整流器输出的脉动直流电压，正处于两个脉动信号之间的零伏左右的很低电位，可能因为导通电流很小，不能保证晶闸管在被触发后保持导通；另一方面，正常充电期间如果因某种原因使交流电电压伏度突然瞬间变小，低于平滑电容器的剩余电压，这时，如果触发脉冲已经消失了，会导至晶闸管被关闭。所以，有必要设置一个“触发电路”来接受并保持触发信号，让控制晶闸管的触发信号一直保持高电平，使晶闸管始终处于被触发状态。4、“触发电路”和“零电位识别电路”的正常工作，都需要“直流电源”供电，直流电源可以直接通过对交流电的整流、滤波和稳压来获得。5、设计一个“双桥整流电路”，其中，主整流桥是大电流桥式整流器，其输出端与平滑滤波电容器和负载电路相并联后的电路及再相串联的晶闸管电子开关，构成相应的电源回路；副整流桥是小电流桥式整流器，其输出端，一路给“零电位识别电路”提供取样信号，另一路经电阻器降压、电容器滤波、稳压管稳压，获得直流电源，给“触发电路”和“零电位识别电路”供电。
综上所述，零电位软启动桥式整流一体化组(器)件(软桥)，完整电路的技术方案应该由，一、“双桥整流电路”，二、“直流电源电路”，三、“零电位识别电路”，四、“触发电路”，五、“晶闸管电子开关电路”，共五个电路部分组成。工作方式是，交流电经“双桥整流电路”两路全波整流后，获得一组大电流脉动直流电源，其输出和“负载电路”与“晶闸管电子开关”相串联的电路构成回路，另一组小电流脉动直流电源，分别送给“零电位识别电路”及“直流电源电路”。“直流电源电路”向“零电位识别电路”及“触发电路”供电。“零电位识别电路”产生触发脉冲后，送给“触发电路”。“触发电路”接受触发脉冲，经变换和保持，形成持续高电位触发信号，触发晶闸管导通。
下面给出本发明的图。
图1，是“零电位软启动桥式整流一体化组(器)件(软桥)”的技术方案方框图。
图中，(1)是“双桥整流电路”；(2)是“直流电源电路”；(3)是“零电位识别电路”；(4)是“触发电路”；(5)是“晶闸管电子开关电路”；(6)是“负载电路”。
图2，是“零电位软启动桥式整流一体化组(器)件(软桥)”实施例电路3，是实施例电路工作波形图。
下面介绍
具体实施例方式
基于上述技术方案，作为本发明的实施例。可供应用的主要技术指标和实施条件是1、输入交流电压220伏(≥60伏时，零电位软启动整流有效)，50Hz。2、零电位软启动全波整流输出(可以满载或空载开机)。3、平滑电容器电容量220～330微法(450伏)，阻性负载功率300瓦。
(一)、各功能电路元器件组成及电器连接方式1、“双桥整流电路”(1)的主整流桥由整流二极管D1、D2、D3、D4构成，副整流桥由整流二极管D1、D2、D5、D6构成。元器件之间的连接方式为D3、D5的正端和D1的负端相连接，连接点形成一个对外引出端，作为交流电输入的一个端点；D4、D6的正端和D2的负端相连接，连接点形成一个对外引出端，作为交流电输入的另一个端点；D3、D4的负端相连接，连接点形成一个对外引出端，以Uo表示，作为主整流器正输出端；D5、D6的负端相连接，连接点以Ua表示，作为副整流器正输出端；D1、D2的正端相连接，连接点作为全部软桥电路的参考地。
2、“直流电源电路”(2)由隔离二极管D7，降压电阻器R1、R2，平滑滤波电容器C，稳压二极管Vw组成。元器件之间的连接方式为D7正端接Ua点，负端串连R1、R2；电容C与稳压管Vw相并联，其负端接地，正端接到R2的另一端，连接点以E表示，作为“直流电源”的电源正端。
3、“零电位识别电路”(3)由电阻器R3、R4、R5、R6、R7，三极管V1，隔离二极管D8组成。元器件之间的连接方式为R3一端接Ua点，一端接地；R4一端接Ua点，一端接V1管b极；R5一端接V1管b极，一端接地；R6一端接E点，一端接V1管c极；R7一端接V1管c极，一端接地；D8正端接V1管c极，负端接V2管b极。
4、“触发电路”(4)由电阻器R8、R9、R10、R11，三极管V2、V3，二极管D9、D10，隔离二极管D11组成。元器件之间的连接方式为R8一端接E点，一端接V3管e极；R9一端接V3管c极，一端接V2管b极；R10一端接V2管b极，一端接地；R11一端接V3管b极，一端接V2管c极；D9正端接E点，负端接D10正端；D10负端接V3管b极；D11正端接V3管c极，负端接V4管b极。
5、“晶闸管开关电路”(5)由电阻器R12，三极管V4，晶闸管Vk组成。元器件之间的连接方式为R12一端接V4管b极，一端接地；V4管e极接Vk管g极，V4管c极接Vk管d极，连接点以Uo’表示，作为整流器整流输出的低电位端；Vk管s极接地。
(二)、实施例所用元器件下面是以分立元件组装的本发明实施例所用元器件推荐型号电阻器功率均为1/4瓦，其中R1为51kΩ、R2为51kΩ、R3为270kΩ、R4为270kΩ、R5为51kΩ、R6为100kΩ、R7为6.8kΩ、R8为1kΩ、R9为51kΩ、R10为220kΩ、R11为100kΩ、R12为51kΩ；主桥二极管D1、D2、D3、D4为1N5408；副桥二极管D5、D6为1N4007；其它二极管D7、D8、D9、D10、D11为1N4007；稳压二极管Vw为0.5w、18v；三极管V1、V2为C8050；三极管V3为A8550；三极管V4为MJE13003或MJE13005；电容C为25伏1μf贴片；晶闸管Vk为BT151。
(三)、各功能电路工作过程介绍1、正弦交流电Ui接入“双桥整流电路”输入端，经双路桥式整流后，获得两组等值的全波脉动直流电源Uo和Ua，Uo用于向负载供电，Ua用于提供“软桥”工作电源，Uo是否向负载回路供电，取决于晶闸管是否导通。
2、Ua经电阻器R1、R2降压，在电容器C上建立直流电压E，C并联稳压管Vk，以便稳定电压。D7防止Ua值低于E时，电容器C上的电源回流。R1、R2功率为1/4w，串联以后将功率增大为1/2w。
3、R3将Ua点干扰信号泄放到地。R4、R5对Ua分压取样，产生零电位识别信号，当R5上的取样电压大于参考电压Us，即三极管V1的be结电压时，V1管饱和导通，其c集电位为低电平，当R5上的取样电压小于三极管V1的be结电压时，V1管截止，其c集电位为高电平，这样就在V1管c极建立了零电位触发脉冲。V1管的c极电压大小，是由R6、R7对直流电源E进行分压决定的。开机后，电容器C上的电压由低到高逐渐积累，当E较低时，R7上的电压不足以使D8和V2管be结导通，V2管截止；当E较高时，R7上的电压使D8和V2管be结导通，V2管被触发导通。D8起隔离作用，防止V2管导通后又被V1管c极饱和零电位截止。
4、当V2管末被触发导通时，V2、V3管均不导通，V2管被触发导通后，电源E经R8、V3管的be结、R11、V2管的ce极流到地，V2、V3管均导通，V3管的一小部分集电极电流经R9、V2管的be结流到地，形成电流正反馈作用，V2管很快进入饱和状态，并将饱和状态自锁。R10防止干扰信号使V2管误触发。R8、D9、D10、V3构成恒流源电路，V3管集电极以恒定电流，经D11输出触发信号。D11起隔离作用。
5、在脉动直流电压Uo为零电位时，由D11过来的触发信号，经V4管作电流放大作用后，送至晶闸管栅极g，触发晶闸管导通。R12给V4管cb结漂移电荷提供泄放通路。由于V4管的触发推动作用，只需较小的触发电流，就可以使晶闸管电路正常工作。减小触发电流，有利于减小滤波电容器C的电容量；有利于采用微功耗元器件，有利于降低整个软桥的功率消耗，使“软桥”用贴片或集成电路的方法制造成为可能。实施例“软桥”除晶闸管及主桥二极管导通时正向压降正常消耗功率外，其它部分总的电功耗被压缩在0.5w以下。
(四)、实施例电路工作波形分析根据分析和实际测量，获得一组波形，如图3。
1、输入交流电源为50Hz正弦波市电，任意时刻t’所对应的瞬时幅度为Ux。
2、Uo和Ua为全波整流脉动直流波形，而且幅度相同。Us是零电位参考电压，当Uo和Ua的瞬时值Ux小于Us时，“零电位识别电路”确认Uo和Ua为“零电位”。
3、三极管V1集电极形成零电位触发信号Uv1c，波形为一组正向窄脉冲。当脉动直流电压接近零伏时，为高电平，否则，为低电平；当交流电刚合闸时，窄脉冲幅度较小，不能使“触发电路”导通，几个周期后，当时刻为t”时，窄脉冲幅度上升到能使“触发电路”导通的电平值，此后窄脉冲幅度逐渐增大至稳定值。
4、晶闸管Vk阳极d的波形Uo’，末导通时，与Uo相同，导通时，近似为零。
5、晶闸管末导通时，软桥负载一侧平滑滤波电容器CL上的电压UCL为零，晶闸管导通后，平滑滤波电容器上的电压由零逐渐增大，建立平滑直流电压。
权利要求
1.零电位软启动桥式整流一体化组(器)件(软桥)，以高密度贴片技术或集成技术制造成一体化、系列化组(器)件，其特征在于完整“软桥”方案由“双桥整流电路”(1)、“直流电源电路”(2)、“零电位识别电路”(3)、“触发电路”(4)、“晶闸管电子开关电路”(5)，相互连接而成。交流电经“双桥整流电路”(1)两路全波整流后，获得一组大电流脉动直流电源，其输出和“负载电路”(6)与“晶闸管电子开关”(5)相串联的电路构成回路，另一组小电流脉动直流电源，分别送给“零电位识别电路”(3)及“直流电源电路”(2)，“直流电源电路”(2)向“零电位识别电路”(3)及“触发电路”(4)供电，“零电位识别电路”(3)在脉动直流电源电压幅度回零时，产生触发脉冲，并送给“触发电路”(4)，“触发电路”(4)接受触发脉冲，经变换和保持，形成持续高电位触发信号，触发晶闸管导通，晶闸管导通后，“晶闸管电子开关”(5)“闭合”，“负载电路”(6)从“软桥”整流输出端，获得从零电位开始的脉动直流电源。
2.根据权利要求1的一种零电位软启动桥式整流一体化组(器)件(软桥)。其电路连接方式具有如下特征a、“双桥整流电路”(1)的主整流桥由整流二极管D1、D2、D3、D4构成，副整流桥由整流二极管D1、D2、D5、D6构成。元器件之间的连接方式为D3、D5的正端和D1的负端相连接，连接点形成一个对外引出端，作为交流电输入的一个端点；D4、D6的正端和D2的负端相连接，连接点形成一个对外引出端，作为交流电输入的另一个端点；D3、D4的负端相连接，连接点形成一个对外引出端，以Uo表示，作为主整流器正输出端；D5、D6的负端相连接，连接点以Ua表示，作为副整流器正输出端；D1、D2的正端相连接，连接点作为全部软桥电路的参考地；b、“直流电源电路”(2)由隔离二极管D7，降压电阻器R1、R2，平滑滤波电容器C，稳压二极管Vw组成。元器件之间的连接方式为D7正端接Ua点，负端串连R1、R2；电容C与稳压管Vw相并联，其负端接地，正端接到R2的另一端，连接点以E表示，作为“直流电源”的电源正端；c、“零电位识别电路”(3)由电阻器R3、R4、R5、R6、R7，三极管V1，隔离二极管D8组成。元器件之间的连接方式为R3一端接Ua点，一端接地；R4一端接Ua点，一端接V1管b极R5一端接V1管b极，一端接地；R6一端接E点，一端接V1管c极；R7一端接V1管c极，一端接地；D8正端接V1管c极，负端接V2管b极；d、“触发电路”(4)由电阻器R8、R9、R10、R11，三极管V2、V3，二极管D9、D10，隔离二极管D11组成。元器件之间的连接方式为R8一端接E点，一端接V3管e极；R9一端接V3管c极，一端接V2管b极；R10一端接V2管b极，一端接地；R11一端接V3管b极，一端接V2管c极；D9正端接E点，负端接D10正端；D10负端接V3管b极；D11正端接V3管c极，负端接V4管b极；e、“晶闸管开关电路”(5)由电阻器R12，三极管V4，晶闸管Vk组成。元器件之间的连接方式为R12一端接V4管b极，一端接地V4管e极接Vk管g极，V4管c极接Vk管d极，连接点以Uo’表示，作为整流器整流输出的低电位端；Vk管s极接地。
全文摘要
本发明“零电位软启动桥式整流一体化组(器)件(软桥)。”是为正弦交流电源整流技术领域首创的一种新型整流组(器)件,由双桥整流电路1、直流电源电路2、零电位识别电路3、触发电路4、晶闸管电子开关电路5,相互连接而成;其工业应用产品以贴片或集成技术制造成一体化、系列化组(器)件;电路合闸工作时整流回路中不产生瞬间浪涌电流,输出整流电压总是从零电位起始的;与外电路连接,采取四只脚引出包装,与传统桥式整流器接法相同;与其它软启动方式相比,“软桥”具有占用空间小、电功耗少、综合成本低等明显优势,使用更加方便。
文档编号H02M7/02GK1266304SQ99114089
公开日2000年9月13日 申请日期1999年3月5日 优先权日1999年3月5日
发明者宗宏森 申请人:宗宏森