专利名称：通用双线制可控硅开关驱动电路的供电方法
当我们试图以具有一定功能的独立的，由可控硅组成的电子开关取代一对机械触点时，首先要求这个电子开关是双线制的，即这个电子开关有两个端子，而且仅有两个端子在电网上负载串联，除上述两端外不能再有其他端子与电网联系。只有这样该电子开关才能与机械开关，特别是建筑物内的机械开关互换。同时我们要求这个独立的电子开关具有一定功能的，那么就要求有相应功能的驱动电路，无论开关的状态如何均要向该驱动电路提供稳定的电源，于是便提出了驱动电路的供电问题。
目前，在不增加电源线的情况下，上述驱动电路的供电方法有多种选择(1)电容器蓄能即在开关未导通时由电阻限流向驱动电路供电，并用电容器蓄能，开关导通时由电容器放电向驱动电路供电。目前所使用的延时开关多数采用这一方法。(2)使用化学电池。(3)使用电磁感应的方法。这些方法在某些特定的场合下是非常有效的，但其中均存在一些难以克服的缺点，致使电子开关不能在更为广泛的场合得到应用。例如，电容蓄能的方法由于存在电容器的容量、体积、成本等诸方面的矛盾而仅仅能够用于一些短时间的定时开关。化学电池又存在寿命、成本以及使用安全性、方便性等问题，电磁感应的方法由于引入电感器件，又存在体积、成本以及负载适应性等各方面的矛盾。
本发明提供一种独立可控硅开关驱动电路的供电方法，目的在于一方面使该独立可控硅开关为双线制工作与机械开关等效、互换，另一方面也使驱动电路有较大的选择范围。如各种媒介的遥控、感应控制、接触控制、时间控制等，只要该电路的功耗不是特别大，都可以与可控硅进行有效的驳接。同时使应用半导体发光器件进行一目了然的工作状态显示成为现实，并使可控硅开关有最小的导通压降和可以接受的静态漏电。
在开关关断的情况下对驱动电路的供电是不存在任何问题的，因为开关与负载串联，在开关关断时电网电压完全施加于开关两端，另一方面一般驱动电路的功耗很小(数毫安以内)，所以通过电阻限流的方法即可保证驱动电路可靠地工作，同时也可兼顾到开关断时的漏电指标以及发光显示器件的需要。若开关所驳接的驱动电路功耗较大，同时对开关的断态漏电指标有较严的要求时还可以加入一级增加电流的直流-直流变换器，由于电网电压很高该变换器的电流比很大，可以在较小的静态漏电指标下获得较大的驱动电路供电流，所以，本发明在开关关断时仍采用电阻限流的方法。当然，也可采用电容限流。
开关导通时，由于开关两端的电压近似为零，那么该驱动电路如何获得工作电源呢。一种简单并且行之有效的方法是在可控硅的阴极串入分压器件，如稳压管等，该稳压管的参数可以根据驱动电路电源电压值来选取，在开关导通时就可以从该分压器件上的电压提供驱动电路。但是，这样做是很不经济的，因为与负载电流相比，驱动电路所需电流很小，全部的负载电流经过该分压器件完全没有必要。同时开关的导通压降上升，通态功耗增加、发热严重，效率下降。特别是当负载电流比较大，驱动电路工作电压又较高时，开关的性能严重恶化，上述方案将失去任何意义。所以这种方法仅仅适用于负载电流很小的场合。对于负载电流较大时必须采取别的办法。
本发明的可控硅开关导通时，在其每一个导通周期内仅在部分时间向驱动电路供电，其余时间完全导通，以在保证驱动电路正常工作的前提下，使可控硅开关导通压降最低，达到最低的导通功耗和最高的导通效率。如
图1所示，在开关导通的情况下，可控硅开关的每个工作同期即为正弦工频交流电的一个完整的半波，我们将其分为Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ三个区域，分别称为截止区、部分导通区与完全导通区。当处于截止区Ⅰ时。可控硅尚未触发而截止。区域Ⅱ时，我们使负载与驱动电路供电回路串联，驱动电路供电回路在这一时间区域内通过与开关负载串联的方式，由电网获取电能，经虑波后向驱动电路供电。我们称开关这时的工作区域为部分导通区域。区域Ⅲ为完全导通区域，这时负载电流直接通过开关，不再与驱动电路供电回路串联，以使开关导通压降最低，免去不必要的电源消耗。进入下一个导通周期后开关重复上述过程，直到驱动电路使开关关断为止。经过上述三个区域的划分，实际负载电压如图1-b中斜线部分，由于驱动电路供电回路存在一定的电压，所以在区域Ⅱ时，实际负载电压为图1-b中的Ⅱb，图中的Ⅱa则与驱动回路供电回路的电压对应。整个开关对驱动电路供电回路的供电则以图1-c所示的方式完成，可见对驱动电路电源回路的供电仅在区域内发生，在工频交流电的一个周期内发生两次。经过电源回路的虑波，驱动电路即可获得平稳的电源。
采用适当的触发方式，使可控硅的导通角尽可能提前，可以有效地减小区域Ⅰ，由于驱动电路电流相对开关的负载电流来说很小，一般开关负载都是安培数量级，而驱动电路的功耗都在数毫安以内，所以区域Ⅱ也是很窄的。区域Ⅰ、Ⅱ之和在整个导通周期内还是很小，所以图1-b中斜线部分所示负载两端的电压波形非常接近理想的正弦波，使开关具有优良的导通性能。
为了实现上述设想，可以使用图2所示的电路，图中AB等效为无源触点的两端，无极性，使用状态下与负载串联。C端为驱动电路电源端，驱动电路电源由此引出。D端为驱动信号输入端，此端与驱动电路的输出连接。E端为驱动公共端。VS1为主可控硅，VS2为副可控硅。当驱动电路不向D端输入电流时，V2V1截止，VS2控制极因无触发电源而不触发，VS2截止、VS1截止等效为A、B间开路。这时电网电路压完全施加于A、B两端，驱动部分所需的电流经R2限流再经VD4向驱动电路馈电。当驱动电路对D端有输出时，即为本开关的导通状态。下面我们就开关导通时的一个工作周期说明其工作原理。
因D端有电流输入，V2有基极电流，V2导通，当交流电过零后V1逐渐导通，其集电极电流直接注入VS2控制极，随着电网电压的升高，V1集电极电流亦即VS2控制极电流随之增大，当达到VS2的触发电流后VS2导通。在交流电过零到VS2导通这段时间即为前述的区域Ⅰ。VS2导通后R7两端压降上升，经C3，R6、C2网络延时VS1随之导通。在VS2导通到VS1导通这段时间即为前述的区域Ⅱ，在此区域内副可控硅VS2导通，主可控硅VS1未导通，与C、E端相联的驱动电路电源回路通过R1、UR、VD2、R7与开关的负载串联。随着VS1的触发导通，即进入了开关本工作周期的区域Ⅲ，由于VS1导通负载电流直接经过VS1不再经VS2与驱动电路供电回路串联，VS2即截止。随着交流电本半波的结束，区域Ⅲ亦随之结束。当交流电过零后下一半波到来时，如果驱动电路仍对D端有输出，整个开关将重复上述过程。
就图2所示的电路进入区域Ⅱ时，VS2导通负载电流经VD2对C1充电，其时间由R6、R7、C2、C3组成的延时分压网络决定，并与负载有一定的关系。为了防止该区域过宽而使C端电压过高特接入稳压管VD3。由于C端是与VS2阴极相联，为了引入一个较稳定的触发电压，所以使用了结型发光器件VD1，其正向压降正好适应V1及VS2触发极的需要，同时VD1可兼开关状态的显示器。当不需要发光显示时，VD1位置可接入一个稳压管。R2的作用有二在开关关断时是限流作用，与C端相联的驱动电路是通过R2的限流降压供电的。在开关导通时R2是副可控硅VS2的触发电阻，其取值直接影响区域Ⅰ的宽度。为减小区域Ⅰ的宽度希望选取较小的R2值，但R2值的减小又增加开关的断态漏电。对于这一矛盾，一般的解决办法是按照驱动电路所需电流选取R2的值，VS2选用触发电流小的微触发可控硅，以此兼顾开关的通态和断态性能，是可以达到较理想的效果的。当然也可以将V1接在R2之前，或者引入同步触发回路但开关的成本会增加。R5是VS2的阴极电阻，通过适当的取值，可以使VS2的导通角提前，当然为了简化设计R5与VD2可以不要而是C端直接与VS2阴极相联。R1为VS1触发极的保护电阻，当开关设有过零触发电路时R1可以不要。R6、R7的取值应保证VS2不导通时VS1不被触发。
图2所示的电路由于VS1的触发条件与C端电压没有直接的约束，所以C端电压受开关负载影响。当负载轻时VS1的导通角后拉，使区域Ⅱ变宽C端电位上升，尽管有VD3的稳压保护作用，但区域Ⅱ过宽会使整个开关的导通性能变坏。当负载重时又使VS1的导通角提前，区域Ⅱ变窄，C端电位下降，甚至使驱动电路得不到正常供电而引起逻辑混乱。为了提高开关的负载的适应性，使负载在一个很大的范围内变化时C端均有稳定电压。图3所示的电路引入C端电压与VS1导通角的约束。与图2相比，图3使用了光电隅合可控硅VS3触发主可控硅VS1而VS3是通过VD3由VS2的阴极电流触发的，而由于VD2的存在至使VS3的触发条件与C端电位具有直接的约束，所以无论负载如何变化C端均有稳定的电压，使驱动电路可靠地工作。与以上对图2的分析类似，我们也可以省去VD2与R5，使C端直接与VS2阴极相接。具体做法是R5开路，VD2短路。此外，我们也可使用电磁感应的方法通过脉冲变压器触发主可控硅导通，但这种方法在感性负载时电路较复杂。
如果将两只可控硅串联工作，同样可以实现本发明的供电方法，具体改动如图4所示。由于VS1是由稳压管VD3触发的，而VD3的击穿条件又通过VD2与C端电压具有约束，所以C端的电压是稳定的。与图2、图3同理VS1触发后负载电流不再经过驱动电路的供电回路，驱动电路供电回路仅在开关工作周期内的部分时间里得到供电。与图2、图3不同的是VS1导通后VS2仍旧维持导通，且负载电流始终要经过UR、VS2、VS1，所以通态性能较差。但如果负载较小且驱动电路又要求稳定的电压时仍是一种较好的选择。
在图2到图4的基础上实现过零开关是非常容易的，如图5所示，R8、R9、V3构成过零电压检测电路过零电压的大小由R8、R9的比值定义。当导通信号由D端输入时，若电网电压大于R8、R9定义的过零电压V3导通V2不导通，直到交流电过零后V3载止V2，V1导通VS2触发，实现零压开关。
若实现调压，则设法使区域Ⅰ的宽度受D端输入量控制在图2到图4的基础上，做图6所示的变动，由于引入了电阻R10、R11，可使VS2的导通角受D端输入电流的控制，从而使D端的输入与区域Ⅰ的宽度形成一一对应关系，实现调压。由于驱动电路有较大的选择范围，所以可以实现各种操作方式的调压。当然在图6中，若D端输入为开关量，开关的输出仍为开关量。
本发明所采用的几种电路，除极性电容C1外，其他器件均有利于制成一个专用模块。这样就可以进行大规模的专业化生产，降低成本。
综上所述，本发明提供了一种可控驱动电路的供电方法，在开关处于关断状态时通过简单的限流降压器件向驱动电路供电，若驱动电路的耗电较大，可以加入一级增加电流的直流-直流变换装置。在开关导通状态下，通过两只可控硅的导通间隙向驱动电路供电。采用本发明使开关的通、断态性能均可达到最佳状态，亦可实现调压，零压开关等特殊功能，只要与一定功能的驱动装置联接，即可实现相应功能的，可以与机械开关完全互换的独立电子开关。
权利要求
1.通用双线制可控硅开关驱动电路的供电方法，用于各种双线制工作的可控硅开关，其特征是开关导通时，在开关的每一个工作周期亦即交流电的每一个半波内使其中一部分时间，开关的负载与驱动电路的供电回路串联，另一部分时间开关电流直接通过负载不再与驱动电路供电回路串联。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征是采用两只可控硅，在其中一个可控硅导通而另一个可控硅还没导通时负载与驱动电路供电回路串联，当另一个可控硅导通后负载电流通过后导通的可控硅，先导通的可控硅同时截止，不再向驱动电路供电回路供电。
3.根据权利要求2所述的方法，其特征是先导通的可控硅导通后，通过阻容延迟的方法触发第二个可控硅导通。
4.根据权利要求2所述的方法，其特征是先导通的可控硅导通后通过光电隅合的方法，触发另一个可控硅导通。
5.根据权利要求4所述的方法，其特征是该光电隅合器件的发光管端是通过稳压管引自先导通的可控硅阴极。
6.根据权利要求4、5所述的方法，其特征是该光电隅合器件是光电隅合可控硅。
7.根据权利要求1所述的方法，其特征是两只可控硅串联，并使后导通的可控硅的阳极与先导通的可控的阴极相连，并在后导通的可控硅的阳极与控制之间接入稳压管。
8.根据权利要求1-7所述的方法，其特征是当开关处于关断状态时通过限流器件向驱动电路供电。
9.根据权利要求8所述的方法，其特征是该限流器件是电阻器。
10.根据权利要求8所述的方法，其特征是该限流器件是电容器或阻容复合器件。
11.根据权利要求1、2所述的方法，其特征是先导通的可控硅导通后，通过电磁隔离的方法触发另一个可控硅导通。
12.根据权利要求1-11所述的方法，其特征是开关处于关断状态时由一个增加电流的直流变换装置向驱动电路供电。
全文摘要
本发明提供了一种可控硅驱动电路的供电方法，其特征是开关导通时在开关的每一工作周期，即交流电的每一个半波内，使其中一部分时间负载与驱动电路的供电回路串联，另一部分时间开关电流直接通过负载不再与驱动电路供电回路串联。从而使各种独立的可控硅开关成为在施工上与机械开关完全互换的双端无源无极性器件。同时，开关的断态漏电微小，在导通压降有效值为2伏特时，可以向驱动电路提供5伏特以上电压数毫安以上电流使驱动电路有很大的选择范围。
文档编号H03K17/725GK1077827SQ9210286
公开日1993年10月27日 申请日期1992年4月14日 优先权日1992年4月14日
发明者解跃 申请人:解跃