可控硅驱动电路及其驱动方法与流程

本发明属于半导体功率驱动技术领域，具体涉及一种可控硅驱动电路和一种可控硅驱动电路驱动方法。

背景技术：

参见附图的图1，图1示出了传统的经典可控硅驱动控制方案。具体地，当过零信号zerocross_in提前到达时,mcu接收到信号后立即发出低电平触发信号scr2，驱动过零光耦moc3041打开，接通外围的功率电路。

然而，上述传统驱动方案存在缺陷，简述如下。由于控制芯片发出错误的触发信号、芯片程序运行暂停/损坏等驱动信号故障情况，导致触发信号scr2长时间维持低电平时，可控硅会始终处于导通状态，导致外围的功率电路失控，甚至存在电机飞车、加热器灼烧发生火灾等事故隐患。

因此，有必要研发出一个能够在系统调试、芯片故障、程序故障等故障情况下自动关闭可控硅的安全触发电路。

技术实现要素：

本发明针对现有技术的状况，克服上述缺陷，提供一种可控硅驱动电路和一种可控硅驱动电路驱动方法。

本发明采用以下技术方案，所述可控硅驱动电路包括mcu芯片u1、过零信号电路、可控硅触发电路，所述可控硅驱动电路用于驱动发热元件heater，其中：

所述过零信号电路的强电侧电路结构包括电阻r45、电阻r46、整流二极管d1、低压隔离光耦b1，所述电阻r46的一端通过整流二极管d1接于电阻r45的一端，所述电阻r45的另一端接于市电的n线，所述电阻r46的另一端接于低压隔离光耦b1的输入端，所述低压隔离光耦b1与市电的l线之间接入电荷保持电路；

所述可控硅触发电路包括可控硅tri1、电阻r14、限流电阻r4、低压隔离光耦b2和电阻r48，所述可控硅tri1的t2端接于发热元件heater，所述可控硅tri1的t1端接于电荷保持电路，所述可控硅tri1的t1端同时通过电阻r14接于可控硅tri1的g端，所述可控硅tri1的g端通过限流电阻r4接于低压隔离光耦b2的第1端，所述低压隔离光耦b2的第3端通过电阻r48接于mcu芯片u1的控制端口。

根据上述技术方案，所述电荷保持电路由稳压二极管d6和电容c2并联组成，该电荷保持电路用于向可控硅触发电路提供在有限时间内驱动可控硅tri1的电荷，上述电荷保持电路向可控硅触发电路提供的电荷以有且仅有在1个至10个交流周期以内触发可控硅tri1为限；

所述整流二极管d1和低压隔离光耦b1既构成上述电荷保持电路的充电电路，同时也构成高压电流过零信号发生电路，，使得充电电流仅在交流电压的正半周产生，同时过零信号也仅在交流电压的正半周产生，负半周电路截止。

根据上述技术方案，所述过零信号电路的弱电侧电路结构包括电阻r3、电阻r5和三极管q3，所述电阻r3的一端接于低压隔离光耦b1的第2端，所述电阻r3的另一端接于三极管q3的基极，所述三极管q3的集电极同时接于mcu芯片u1的信号输入端和电阻r5的一端，所述电阻r5的另一端接地。

本发明专利申请还公开了一种可控硅驱动电路驱动方法，包括以下步骤：

步骤s1：在市电l线和n线的两端同时施加交流电压以在过零信号电路的弱电侧形成具有滞后过零点δt滞后时间的过零信号；

步骤s2：mcu芯片获取上述过零信号，并且根据上述过零信号开启一内部定时器，上述内部定时器用于设定可控硅触发时间基准t1和可控硅触发时间基准t2；

步骤s3：mcu芯片根据上述可控硅触发时间基准t1和可控硅触发时间基准t2输出控制信号；

步骤s4：可控硅tri1由电荷保持电路提供的电荷驱动，可控硅tri1同时根据上述控制信号驱动发热元件heater。

根据上述技术方案，步骤s1具体实施为：

在市电l线和n线的两端同时施加交流电压，在交流电压的正半周，交流电压超过电容c2两端电压uc2与低压隔离光耦b1正向触发电压vf之和时，在过零信号电路的弱电侧形成具有滞后过零点δt滞后时间的过零信号。

根据上述技术方案，上述滞后时间δt为：

根据上述技术方案，步骤s2具体包括以下步骤：

步骤s2.1：mcu芯片获取上述过零信号，并且根据上述过零信号开启一内部定时器；

步骤s2.2：延时(t/2-δt)时间发出交流电压的控硅触发时间基准t1；

步骤s2.3：继续延时t/2时间，发出交流电压的可控硅触发时间基准t2。

根据上述技术方案，步骤s3中的控制信号由至少2个的短时触发片段构成。

根据上述技术方案，相邻短时触发片段的间隔为30至200us，各个短时触发片段的时长为10至100us。

根据上述技术方案，上述由电荷保持电路提供的最大电荷量q为：

其中，u为交流电源的电压有效值。

本发明公开的可控硅驱动电路及其驱动方法，其有益效果在于，通过巧妙设置电荷保持电路，实现在多类型故障状态下的可控硅驱动自动保护，避免高温灼烧等安全隐患；通过mcu芯片的内部定时器延时输出可控硅触发时间基准，修正过零信号延时；通过将可控硅的触发时间分解为多个短时触发片段，保证电路触发的可靠性，同时降低电磁辐射。

附图说明

图1是传统的可控硅驱动方案的电路原理图。

图2是本发明优选实施例的部分电路的电路原理图。

图3是本发明优选实施例的部分电路的电路原理图。

图4是本发明优选实施例的过零信号(zerocrocsin)的波形图。

图5是本发明优选实施例的多个短时触发片段的示意图。

具体实施方式

本发明公开了一种可控硅驱动电路和一种可控硅驱动电路驱动方法，下面结合优选实施例，对本发明的具体实施方式作进一步描述。

参见附图的图2至图5，图2和图3分别示出了所述可控硅驱动电路的电路结构，图4示出了过零信号的波形，图5示出了一种优化后的触发方式(多段式触发片段)。

优选地，所述可控硅驱动电路包括mcu芯片u1、过零信号电路、可控硅触发电路，所述可控硅驱动电路用于驱动发热元件heater，其中：

所述过零信号电路的强电侧电路结构包括电阻r45、电阻r46、整流二极管d1、低压隔离光耦b1，所述电阻r46的一端通过整流二极管d1接于电阻r45的一端，所述电阻r45的另一端接于市电(交流电源)的n线，所述电阻r46的另一端接于低压隔离光耦b1的第1端，所述低压隔离光耦b1与市电(交流电源)的l线之间接入电荷保持电路；

所述可控硅触发电路包括可控硅tri1(双向可控硅)、电阻r14、限流电阻r4(驱动电流限制电阻)、低压隔离光耦b2和电阻r48，所述可控硅tri1的t2端接于发热元件heater，所述可控硅tri1的t1端接于电荷保持电路，所述可控硅tri1的t1端同时通过电阻r14接于可控硅tri1的g端，所述可控硅tri1的g端通过限流电阻r4接于低压隔离光耦b2的第1端，所述低压隔离光耦b2的第3端通过电阻r48接于mcu芯片u1的控制端口(scr1，控制信号)。

值得一提的是，所述电荷保持电路由稳压二极管d6和电容c2并联组成，该电荷保持电路用于向可控硅触发电路提供在有限时间内驱动可控硅tri1的电荷，使得可控硅tri1无法在下一个交流半周到来时被有效打开。保护了故障状态下的加热电路，自动消除高温灼烧、起火等安全隐患。

换而言之，上述电荷保持电路向可控硅触发电路提供的电荷是有限的。

进一步地，上述电荷保持电路向可控硅触发电路提供的电荷以有且仅有在1个至10个交流周期以内触发可控硅tri1为限。

优选地，所述稳压二极管d6两端的稳压阈值为12v。

值得一提的是，所述整流二极管d1和低压隔离光耦b1既构成上述电荷保持电路的充电电路，同时也构成高压电流过零信号发生电路，，该高压电流采样电路使得过零信号电路的静态功耗降低一半。

换而言之，上述高压电流过零信号发生电路使得充电电流仅在交流电源的正半周产生，同时过零信号也仅在交流电压的正半周产生，负半周电路截止，符合绿色环保的节能要求。

值得一提的是，本发明专利申请还公开了基于上述可控硅驱动电路的可控硅驱动电路驱动方法，包括以下步骤：

步骤s1：在市电l线和n线的两端同时施加交流电压以在过零信号电路的弱电侧形成具有滞后过零点δt滞后时间的过零信号(zerocrossin)；

步骤s2：mcu芯片获取上述过零信号，并且根据上述过零信号开启一内部定时器，上述内部定时器用于设定可控硅触发时间基准t1和可控硅触发时间基准t2；

步骤s3：mcu芯片根据上述可控硅触发时间基准t1和可控硅触发时间基准t2输出控制信号(scr1)；

步骤s4：可控硅tri1由电荷保持电路提供的电荷驱动，可控硅tri1同时根据上述控制信号驱动发热元件heater。

优选地，步骤s1具体实施为：

在市电l线和n线的两端同时施加交流电压，在交流电压的正半周，交流电压超过电容c2两端电压uc2与低压隔离光耦b1正向触发电压vf之和时，在过零信号电路的弱电侧形成具有滞后过零点δt滞后时间的过零信号。

优选地，上述滞后时间δt为：

优选地，步骤s1中，由于高压电流采样电路，过零信号(zerocrossin)在电流电压的正半周产生并且在电流电压的负半周截止，以便降低静态功耗。

优选地，步骤s2具体包括以下步骤：

步骤s2.1：mcu芯片获取上述过零信号，并且根据上述过零信号开启一内部定时器；

步骤s2.2：延时(t/2-δt)时间发出交流电压的控硅触发时间基准t1；

步骤s2.3：继续延时t/2时间，发出交流电压的可控硅触发时间基准t2。

其中，步骤s2.2中的可控硅触发时间基准t1位于交流电压的负半周。

其中，步骤s2.3中的可控硅触发时间基准t2位于交流电压的正半周。

其中，交流电压的周期t取多个过零信号间隔的平均值。例如：在最近的80毫秒时间内采样到5个过零信号，则周期t＝80ms/(5-1)＝20ms。

优选地，步骤s3中的控制信号(scr1)由至少2个的短时触发片段构成。

换而言之，由于实际过零电路的信号误差，交流电压波动，电网干扰，以及内部定时器的精度，可控硅的触发时间基准有可能不准，超前或落后真实的过零信号几十个微妙，超前时会造成可控硅触发遗漏，或触发延时太多又会引起较大的骚扰功率传导分量。采用此种多片段触发的方法，保证了电路触发可靠，电磁辐射最小。

其中，相邻短时触发片段的间隔为几十微秒，优选为30至200us。

其中，各个短时触发片段的时长优选为10至100us。

优选地，步骤s4中的电荷保持电路提供的电荷仅供一个交流电压半周内触发可控硅tri1。

其中，上述由电荷保持电路提供的最大电荷量q为：

其中u为交流电源的电压有效值，当电源为220伏，频率是50赫兹。

当电阻r45＝r46＝51k时，电容c2上的最大电荷q≌19.4uq。

当选取稳压二极管d6两端稳压阈值为12v时，选c2的电容值c＝q/12＝1.6uf。考虑到实际电容的偏差及驱动电压的平稳性要求，取c2>＝4.7uf。

根据上述优选实施例，本发明专利申请公开的可控硅驱动电路，其工作原理如下所述。

参见附图的图2，所述可控硅驱动电路包括mcu芯片u1、过零信号电路、可控硅触发电路，所述可控硅驱动电路用于驱动可控硅tri1(即发热元件)。

参见附图的图3，所述过零信号电路的强电侧电路结构包括电阻r45、电阻r46、整流二极管d1、低压隔离光耦b1、稳压管d6、电容c2；

所述过零信号电路的弱电侧电路结构包括电阻r3、电阻r5和三极管q3；

所述可控硅触发电路包括可控硅tri1、电阻r14、限流电阻r4、低压隔离光耦b2和电阻r48。

参见附图的图4，当在l、n两端施加交流电压时，在交流电压的正半周，交流电压超过电容c2两端电压uc2与低压隔离光耦b1正向触发电压vf之和时，在弱电侧有滞后过零点的过零信号出现，滞后时间δt为：

当控制芯片mcu延时δt接收到过零信号时，立即开启一个内部定时器，延时(t/2-δt)发出负半周的可控硅触发时间基准t1；然后继续延时t/2，发出正半周的可控硅触发时间基准t2，以便修正过零信号的延时，减小电路中的启动电流，减小传导干扰和电磁辐射。

交流电源的周期t取多个过零信号间隔的平均值。例如：在最近的80毫秒时间内采样到5个过零信号，则周期t＝80ms/(5-1)＝20ms。

可控硅的驱动电荷来自于过零信号电路，其产生的电荷仅能供有限时间内驱动可控硅使用；当控制信号scr1出错，表现为维持高电平，或者维持低电平，或者连续脉冲激发时，c2上储存的电荷很快耗尽，无法在下一个交流电压半周内触发可控硅，起到了在单一软件或硬件驱动故障下的自动保护作用。在一个周期内，过零信号电路(电荷保持电路)所储存的最大电荷量q：

其中u为交流电源的电压有效值，当电源为220伏，频率是50赫兹。

当电阻r45＝r46＝51k时，电容c2上的最大电荷q≌19.4uq。

当选取稳压二极管d6两端稳压阈值为12v时，选c2的电容值c＝q/12＝1.6uf。考虑到实际电容的偏差及驱动电压的平稳性要求，取c2>＝4.7uf。

值得一提的是，选取适当的可控硅型号和驱动电流限制电阻r4，可有效地实现在驱动信号故障时自动关闭可控硅输出。

例如，选取r4＝330ω，则可控硅触发电流约等于12v/510ω＝36ma，选用触发电流为30ma的可控硅。电容c2上电荷能维持触发电流的最大时间为19.4uq/30ma＝630us。当触发信号scr在一个周期t内的低电平维持时间累计超过630us，电容c2两端电荷耗尽，可控硅将无法在下一个交流半波到来时被有效打开。保护了故障状态下的加热电路，自动消除高温灼烧、起火等安全隐患。

参见附图的图5，将可控硅tri1的触发时间分成多于1个的多个短时触发片段，每间隔几十微秒发出一次可控硅驱动触发信号。一般取每个触发片段的时间10至100us左右，每个触发片段之间间隔30～200us。

由于实际过零电路的信号误差、交流电压波动、电网干扰、以及内部定时器的精度等因素，可控硅的触发时间基准有可能不准，超前或落后真实的过零信号几十个微妙，超前时会造成可控硅触发遗漏，或触发延时太多又会引起较大的骚扰功率传导分量。采用上述多片段触发的方式，保证了电路触发可靠，电磁辐射最小。

进一步地，过零信号电路整流二极管d1和低压隔离光耦b1既构成上述电荷保持电路的充电电路，同时也构成高压电流过零信号发生电路，使得充电电流仅在交流电压的正半周产生，同时过零信号也仅在交流电压的正半周产生，负半周电路截止，使过零电路的静态功耗降低了一半。符合绿色环保的节能要求。

对于本领域的技术人员而言，依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或对其中部分技术特征进行等同替换，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围。