专利名称：一种控温电热毯可控硅零电压开启模块及其实现方法
技术领域：
本发明涉及可控硅零电压开启模块，特别是涉及一种控温电热毯可控硅零电压开 启模块及其实现方法。
背景技术：
控温电热毯一般采用可控硅作为功率输出开关器件，可控硅有阳极A，阴极K和门 极(控制端)G三个联接端，如图1所示，阴极是可控硅主电路与控制电路的公共端。其正 常工作时的开通需同时满足以下两个条件(1)承受正向电压，即阳极A电压大于阴极K电压；(2)门极有触发电流；以前的电热毯控制器，因功率开关器件——可控硅门极触发信号没有任何时间点 的控制，其功率输出是在交流半波的任意点(常常是峰值)进行的，可控硅在阳极——阴 极间电压或电流很高的条件下，在门极的控制下开通，由于开通过程中电压、电流均不为 零，出现了重叠，因此导致了开关损耗，可控硅温度升高，影响器件寿命，而且电压和电流的 变化很快，波形出现了明显的过冲，这导致了开关噪声的产生，其典型的开通过程如图2所 示，这样的可控硅开通过程给电路带来严重的电磁干扰问题，电磁辐射较大，影响周边电子 设备的正常工作，更为关键的是，它严重影响产品的使用寿命，阻碍了控温电热毯向绿色环 保方向发展的进程。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的上述不足，提供一种控温电热毯可控硅零电压 开启模块，该模块使可控硅开通前电压先降为零，消除了开通过程中电压、电流的重叠，降 低了它们的变化率，从而大大减小甚至消除了损耗和开关噪声，在延长产品使用寿命的同 时，使控温电热毯向绿色环保方向发展。本发明的另外一个目的在于提供一种控温电热毯可控硅零电压开启模块的实现 方法。本发明的上述目的是通过如下技术方案予以实现的一种控温电热毯可控硅零电压开启模块，由整形电路、MCU和可控硅外围电路组 成，其中整形电路将电源交流正弦半波信号整形为同步的方波信号并输出给MCU ；MCU:通过中断方式实时检测接收到的方波信号的下降沿，得到交流电的过零信号 点Ml时立即进行定时控制，在定时4ms 6ms后的Cl点触发并完成PWM方波的生成，并通 过MCU的IO 口将PWM方波输出给可控硅外围电路，所述PWM方波的周期< 500us ；可控硅外围电路接收PWM方波，并在PWM方波到达可控硅门极G后为可控硅门极 G提供触发信号，使得在下一个交流半波到来时，可控硅在交流电压过零点Kl点开启；同时 保护可控硅门极G不被误触发。
在上述控温电热毯可控硅零电压开启模块中，整形电路包括二极管D1、电阻R1、 电阻R2、电容Cl和稳压管D2，其中二极管D1、电阻Rl和电阻R2串联连接，电阻R2、电容Cl 和稳压管D2并联连接，二极管Dl、电阻Rl和电阻R2起到分压作用，电容Cl起到滤波作用， 稳压管D2起到稳压作用，从而将交流正弦半波信号整形为同步的方波信号。在上述控温电热毯可控硅零电压开启模块中，MCU包括过零检测模块、时间点控制 模块和PWM波形生成模块，其中过零检测模块为一中断控制器，通过中断方式实时检测接 收到的方波信号的下降沿，得到交流电的过零信号点Ml时立即进入时间点控制模块；时间 点控制模块为一定时器，进行定时控制，在定时4ms 6ms后的Cl点触发PWM波形生成模 块；PWM波形生成模块负责完成PWM方波的生成，并通过MCU的IO 口将PWM方波输出给可 控硅外围电路，所述PWM波的周期< 500us。在上述控温电热毯可控硅零电压开启模块中，可控硅外围电路包括可控硅门极保 护电路和可控硅门极触发电路，其中可控硅门极保护电路由电阻R3与电容C2并联而成，保 护可控硅门极G不被误触发，其中电容C2起隔直通交作用，保证接收到的PWM方波有效通 过，在MCU的IO 口损坏失控时，阻止直流通过，R3阻值较大，在直流情况下使得到达可控硅 门极G的电流几乎为零；可控硅门极触发电路由电阻R4和可控硅组成，可控硅有阳极A，阴 极K和门极G三个联接端，在PWM方波到达可控硅门极G后为可控硅门极G提供触发信号， 使得在下一个交流半波到来时，可控硅在交流电压过零点Kl点开启，其中电阻R4用于钳制 可控硅门极G和阴极K间电位，保证可控硅被可靠触发。在上述控温电热毯可控硅零电压开启模块中，电阻R3的阻值大于200K。一种控温电热毯可控硅零电压开启方法，包括如下步骤(1)将电源交流正弦半波信号整形为同步的方波信号；(2)通过中断方式实时检测所述方波信号的下降沿，得到交流电的过零信号点Ml 时立即进行定时控制，在定时4ms 6ms后的Cl点触发并完成PWM方波的生成，所述PWM 方波的周期< 500us ；(3)在PWM方波到达可控硅门极G后为可控硅门极G提供触发信号，使得在下一个 交流半波到来时，可控硅在交流电压过零点Kl点开启；同时保护可控硅门极G不被误触发。本发明与现有技术相比具有如下优点(1)本发明控温电热毯可控硅零电压开启模块通过引入MCU进行智能控制，易于 实现交流电过零点的检测、与供电电网同步后时间点的控制和PWM波形的生成，从而实现 了控温电热毯可控硅在电压过零点开启，与传统电热毯可控硅在交流电压任意一点开启相 比，由于本发明使可控硅开通前电压先降为零，从而消除了开通过程中电压、电流的重叠， 降低了它们的变化率，从而大大减小甚至消除了损耗和开关噪声；(2)本发明时间点控制模块是通过定时器控制完成的，大量实验发现在得到交流 电的过零信号点Ml时立即进行定时控制，定时4ms 6ms为最佳，因为方波信号的下降沿 处常常会有一些毛刺出现，即电源电压仍存在一定干扰或波动，定时4ms 6ms后电源比较 平稳，几乎为零；(3)本发明控温电热毯可控硅零电压开启模块针对当前电热毯控制器由于可控硅 在交流电任意点开启造成电磁兼容性不好的特点，填补当前电热毯行业的空白，在延长产 品使用寿命的同时，降低干扰、辐射、消除噪声，使控温电热毯向绿色环保方向发展。
图1为可控硅的联接端子示意图2为现有技术中可控硅开启效果图3为本发明可控硅零电压开启模块结构示意图4为本发明可控硅零电压开启模块中整形电路结构示意图5为本发明电源交流正弦半波图6为本发明整形方波图7为本发明时间点控制模块触发PWM方波生成的时间点选取图8为本发明PWM方波图9为本发明可控硅零电压开启模块中可控硅外围电路结构示意图
图10为本发明可控硅零电压开启图11为本发明可控硅零电压开启效果图。
具体实施例方式下面接合附图和具体实施例对本发明作进一步详细的描述如图3所示为本发明可控硅零电压开启模块结构示意图，由图可知该开启模块由 整形电路、MCU及可控硅外围电路组成。整形电路起到将电源交流正弦半波整形为方波的作用，如图4所示为本发明可控 硅零电压开启模块中整形电路结构示意图，整形电路为电容降压的半桥供电系统，包括二 极管D1、电阻R1、电阻R2、电容Cl和稳压管D2，其中二极管D1、电阻Rl和电阻R2串联连 接，电阻R2、电容Cl和稳压管D2并联连接，DURl和R2进行分压，Cl进行滤波，稳压管D2 为5V稳压管，将高于5V的电压都稳压到5V，低于5V时不导通，从而将交流正弦半波信号整 形为同步的方波信号。其电源(即a点)正弦半波如图5所示，b点电压(也即R2两端电压)为整形后 的方波信号，如图6所示为整形方波图。该方波信号的幅值在4V 5V之间，周期为20ms。 该方波信号从MCU的中断引脚输入，作为MCU过零检测的输入信号。MCU包括过零检测模块、时间点控制模块和PWM波形生成模块三个部分，主要完成 交流电过零检测以及PWM波形生成的时间点控制。过零检测模块负责检测图6所示的方波下降沿信号，它实际上是一个中断控制 器，它通过中断方式实时检测该方波的下降沿，得到交流电的过零信号Ml后立即进入时间 点控制模块。时间点控制模块是通过定时器控制完成的，定时4ms 6ms (T2)，并从Cl点 时间点开始触发PWM波形生成模块，如图7所示为本发明时间点控制模块触发PWM方波生 成的时间点选取图。PWM波形生模块负责完成PWM方波的生成，并通过MCU的IO 口输出到 可控硅外围电路，该模块的功能是通过定时器控制实现的，每125us到时，IO 口电平翻转一 次，从而实现周期为250us(实验数据表明，PWM波周期为500us以下均能满足要求)占空 比为50%的PWM方波，幅值为5V，PWM方波作为可控硅门极触发信号，经过可控硅外围电路 提供给可控硅门极。如图8所示为本发明PWM方波图。可控硅外围电路主要由两部分组成可控硅门极保护电路和可控硅门极触发电路，分别起到保护可控硅门极被误触发和保证在正常状态下可控硅门极被可靠触发的作 用。如图9所示为本发明可控硅零电压开启模块中可控硅外围电路结构示意图。其中可控硅门极保护电路由电阻R3与电容C2并联而成，保护可控硅门极G不被 误触发，图中R3为200K的大电阻，起释放电流作用；Cl起到保护作用，能有效防止可控硅 被误触发；假设MCU的IO损坏失控并一直输出高电平，此时若没有R3、C2网络，则可控硅门 极会一直有触发电流，电热毯系统会处于危险的加热状态。而采用R3、C2网络后，由于C2有 隔直通交作用，PWM方波能有效通过，而当MCU的IO 口损坏失控时，C2可以阻止直流通过， R3阻值很大，在直流情况下使得到达可控硅门极的电流几乎为零，防止可控硅被误触发。可控硅门极触发电路由电阻R4和可控硅组成，可控硅有阳极A，阴极K和门极G三 个联接端，电阻R4用于钳制可控硅门极G和阴极K间电位，保证可控硅被可靠触发。如图 9所示在PWM方波到达可控硅门极G后，为可控硅门极G提供触发信号，这样可控硅具备了 导通的两个条件之一一门极有触发电流；在下一个交流半波到来时，可控硅满足了导通的 第二个条件一阳极和阴极之间承受正电压，从而在交流电压过零点Kl点开启，如图10所示 为本发明可控硅零电压开启图；如图11所示为本发明可控硅零电压开启效果图，由图11可 知本发明可控硅零电压开启方式可以有效消除损耗和开关噪声。本发明引入MCU进行智能控制，通过检测交流电的过零点，实现与供电电网同步， 并通过定时控制可控硅门极信号的输出时间，实现在交流半波到来之前给出可控硅门极使 能信号，从而达到可控硅刚刚承受正压时就导通的效果。以上所述，仅为本发明最佳的具体实施方式
，但本发明的保护范围并不局限于此， 任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换， 都应涵盖在本发明的保护范围之内。本发明说明书中未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员的公知技术。
权利要求
一种控温电热毯可控硅零电压开启模块，其特征在于由整形电路、MCU和可控硅外围电路组成，其中整形电路将电源交流正弦半波信号整形为同步的方波信号并输出给MCU；MCU通过中断方式实时检测接收到的方波信号的下降沿，得到交流电的过零信号点M1时立即进行定时控制，在定时4ms～6ms后的C1点触发并完成PWM方波的生成，并通过MCU的IO口将PWM方波输出给可控硅外围电路，所述PWM方波的周期＜500us；可控硅外围电路接收PWM方波，并在PWM方波到达可控硅门极G后为可控硅门极G提供触发信号，使得在下一个交流半波到来时，可控硅在交流电压过零点K1点开启；同时保护可控硅门极G不被误触发。
2.根据权利要求1所述的一种控温电热毯可控硅零电压开启模块，其特征在于所述 整形电路包括二极管D1、电阻R1、电阻R2、电容Cl和稳压管D2，其中二极管D1、电阻Rl和 电阻R2串联连接，电阻R2、电容Cl和稳压管D2并联连接，二极管Dl、电阻Rl和电阻R2起 到分压作用，电容Cl起到滤波作用，稳压管D2起到稳压作用，从而将交流正弦半波信号整 形为同步的方波信号。
3.根据权利要求1所述的一种控温电热毯可控硅零电压开启模块，其特征在于所述 MCU包括过零检测模块、时间点控制模块和PWM波形生成模块，其中过零检测模块为一中 断控制器，通过中断方式实时检测接收到的方波信号的下降沿，得到交流电的过零信号点 Ml时立即进入时间点控制模块；时间点控制模块为一定时器，进行定时控制，在定时4ms 6ms后的Cl点触发PWM波形生成模块；PWM波形生成模块负责完成PWM方波的生成，并通过 MCU的IO 口将PWM方波输出给可控硅外围电路，所述PWM波的周期< 500us。
4.根据权利要求1所述的一种控温电热毯可控硅零电压开启模块，其特征在于所述 可控硅外围电路包括可控硅门极保护电路和可控硅门极触发电路，其中可控硅门极保护电 路由电阻R3与电容C2并联而成，保护可控硅门极G不被误触发，其中电容C2起隔直通交 作用，保证接收到的PWM方波有效通过，在M⑶的IO 口损坏失控时，阻止直流通过，R3阻值 较大，在直流情况下使得到达可控硅门极G的电流几乎为零；可控硅门极触发电路由电阻 R4和可控硅组成，可控硅有阳极A，阴极K和门极G三个联接端，在PWM方波到达可控硅门 极G后为可控硅门极G提供触发信号，使得在下一个交流半波到来时，可控硅在交流电压过 零点Kl点开启，其中电阻R4用于钳制可控硅门极G和阴极K间电位，保证可控硅被可靠触 发。
5.根据权利要求4所述的一种控温电热毯可控硅零电压开启模块，其特征在于所述 电阻R3的阻值大于200K。
6.一种控温电热毯可控硅零电压开启方法，其特征在于包括如下步骤(1)将电源交流正弦半波信号整形为同步的方波信号；(2)通过中断方式实时检测所述方波信号的下降沿，得到交流电的过零信号点Ml时立 即进行定时控制，在定时4ms 6ms后的Cl点触发并完成PWM方波的生成，所述PWM方波 的周期< 500us ；(3)在PWM方波到达可控硅门极G后为可控硅门极G提供触发信号，使得在下一个交流 半波到来时，可控硅在交流电压过零点Kl点开启；同时保护可控硅门极G不被误触发。
全文摘要
本发明涉及一种控温电热毯可控硅零电压开启模块及其实现方法，该开启模块由整形电路、MCU和可控硅外围电路组成，通过引入MCU进行智能控制，易于实现交流电过零点的检测、与供电电网同步后时间点的控制和PWM波形的生成，从而实现了控制电热毯可控硅在电压过零点开启，与传统电热毯可控硅在交流电压任意一点开启相比，由于本发明使可控硅开通前电压先降为零，从而消除了开通过程中电压、电流的重叠，降低了它们的变化率，从而大大减小甚至消除了损耗和开关噪声，在延长产品使用寿命的同时，使控温电热毯向绿色环保方向发展。
文档编号H05B1/02GK101964651SQ20101027249
公开日2011年2月2日 申请日期2010年9月3日 优先权日2010年9月3日
发明者李范益, 王冠雅, 祝建彬 申请人:北京时代民芯科技有限公司;中国航天科技集团公司第九研究院第七七二研究所