CN102253335A - 一种用于可控硅关断的检测电路 - Google Patents

Abstract

一种用于可控硅关断的检测电路。其包括输入电路、比较器电路和输出电路；输入电路为输入信号的信号整形与输入保护电路；比较器电路为电压比较电路；输出电路为输出信号的隔离及电平转换电路。本发明提供的用于可控硅关断的检测电路能够在诸如电网电压波形严重畸变、负载电流波形严重畸变、电压电流不同相等情况下可靠地检测出可控硅的工作状态，作为交流稳压电源控制可控硅稳压切换时刻的依据，使得可控硅在各种情况下都可以可靠稳定地工作，克服了可控硅电压过零切换方式和电流过零切换方式所存在的问题。

Description

一种用于可控硅关断的检测电路

技术领域

本发明涉及属于可控硅变流技术领域，特别是涉及一种用于可控硅关断的检测电路。

背景技术

可控硅作为电力电子技术发展最早和最成熟的器件，至今仍有广泛的应用。其控制方式通常有移相触发控制和过零开关控制两种。其中移相触发控制适用于大功率整流电源、电动机软启动、可调光照明等场合；而过零开关控制则适用于电子调温器、电子式稳压电源等的调节场合，让其在几个周波内导通或关断，从而达到调节输出功率、输出电压的目的。

可控硅过零开关控制一般分为电压过零和电流过零两种方式。

(1)电压过零方式

一般以同步电压过零点作为触发电路的相位基准，其通过测量同步电压过零的时刻，并以此点作为单片机计算可控硅触发相位角的起始点。检测一个正弦电压信号的过零点方法很多，最简单的方法就是测量电压的极性变化，也可以使用比较器或其它电路来检测，因此方法简单、应用较多。

常见的电压过零检测电路原理图如图1所示。

对于纯阻性负载，输出电压、电流同相位，其波形如图2所示。

对于感性负载，输出电压超前输出电流，即不同相位，其波形如图3所示。

对于容性负载，输出电压滞后输出电流，即不同相位，其波形如图4所示。

由于交流稳压电源的负载绝大部分是非线性负载，即电压与电流不同相，如果可控硅的切换方式采用电压过零检测方法，往往会产生比较大的励磁电流，这样容易损坏可控硅器件。同时如果输入电压波形畸变严重，也会使电压过零检测电路工作不稳定，从而影响可控硅的切换；故电压过零检测方式更适于电阻负载场合使用，不适于非线性负载场所使用；更适于输入电压波形较好的环境使用，不适于电压波形失真严重的场合使用。

(2)电流过零方式

电流过零检测方式是将通过可控硅的电流信号转化为电压信号，再按电压过零检测的方法进行检测，采用此种检测方法时需要在负载上串联一个采样电阻，或在负载电流较大时采用电流传感器来获取电流信号，然后再经过放大及电平变换，再传递给检测判断电路进行分析判断。

常见的电流过零检测电路原理图如图5所示。其中UA、UB端接电流采样电阻两端或电流互感器两端。

对于整流性负载，当输入为正弦电压时，整流电路的输入电流为脉冲形式，因此整流电路只在正弦半波峰值附近的一段时间内才会导通，如图6所示，而且负载轻重不同时，该电流脉冲的宽度也在变化，出现电流同步信号随负载大小变化的现象，这将导致同步信号的起止时刻位置不固定、不稳定，控制电路不好确定下一个触发信号的发出时刻，因此可控硅触发也不易稳定，系统工作不可靠。

对于多脉冲整流电路，整流电路的输入电流为三次以上的谐波形式。如图7所示，由于在一个工频周期内出现多个电流零点或峰值，因此电流过零检测时可能出现多个过零时刻，从而导致后续的判断比较电路不能准确识别出真正的触发时刻，结果使可控硅不能稳定工作。

由于交流稳压电源的实际负载大多为非线性负载，如整流滤波负载等，负载电流波形畸变严重，使得检测电路难以准确检测出电流过零点；此时，如果可控硅的切换方式采用电流过零检测方法，可能出现错误可控硅的切换，因此可靠性不高；故电流过零检测方式适应于负载电流波形畸变不严重(不影响电流过零点的判别)的场合使用。

发明内容

为了解决上述问题，本发明的目的在于提供一种使得可控硅在各种情况下都可以可靠稳定地工作，从而能够显著提高交流稳压电源可靠性的用于可控硅关断的检测电路。

为了达到上述目的，本发明提供的用于可控硅关断的检测电路其组成包括：输入电路B1、比较器电路B2和输出电路B3；所述的可控硅T为双向可控硅元件，作为检测对象，可控硅T的门极与电阻器R2的一端相连接，电阻器R2的另一端接直流门极控制信号Vk，可控硅T的阳极与电阻器R1的一端相连接，电阻器R1的另一端接输入的交流电压信号Vi，可控硅T的阴极与地线相连接；其中：

输入电路B1、比较器电路B2和输出电路B3；所述的可控硅T为双向可控硅元件，作为检测对象，可控硅T的门极与电阻器R2的一端相连接，电阻器R2的另一端接直流门极控制信号Vk，可控硅T的第二阳极与电阻器R1的一端相连接，电阻器R1的另一端接输入的交流电压信号Vi，可控硅T的第一阳极与地线相连接；其中：

输入电路B1为输入信号Vt的信号整形与输入保护电路，其输入端与可控硅T的第二阳极相连接，输出端与比较器电路B2的输入端相连接；

比较器电路B2为双向电压比较电路，具有一个输入端、一个输出端和两个参考电压输入端，其输入端与输入电路1B的输出端相连接，正向参考电压端与正向参考电压V1相连接，负向参考电压端与负向参考电压V2相连接，输出端与输出电路B3的输入端相连接；

输出电路B3为输出信号的隔离及电平转换电路，其输出端提供整个检测电路的输出信号Vo。

所述的输入电路B1由输入限幅器和滤波电路组成。

所述的比较器电路B2主要由两个电压比较器组成，其中：正向电压比较器的正输入端接正向参考电压V1，负输入端接输入信号Vb，输出端与比较器电路的输出端相连接；负向电压比较器的正输入端输入信号Vb接，负输入端接负向参考电压V2，输出端与比较器电路的输出端相连接。

所述的输出电路B3主要由光电耦合器电路组成。

所述的电压比较器B2的正向参考电压V1及负向参考电压V2为双向比较器电路的翻转电压，V1和V2的取值根据可控硅T的导通压降Von的值来确定，正向参考电压V1的取值范围为：0＜V2≤Von；负向参考电压V2的取值范围为：-Von≤V2＜0；通常可控硅T的导通压降Von为2伏以下。

本发明用于可控硅关断的检测电路包括：输入限幅与滤波电路、比较器电路和光电隔离输出电路；所述的可控硅T1为双向可控硅元件，作为检测对象，其门极通过电阻器R2接-4V门极控制电压，第二阳极通过电阻器R1接输入交流110V电压，第一阳极与地线相连接，可控硅T1的第二阳极为A点，即为检测电路的输入点；其中：

输入限幅与滤波电路由电阻器R3、二极管D1、D2和电容器C1组成；其中：电阻器R3的一端与A点相连接，另一端与B点相连接；二极管D1的阳极与B点相连接，阴极与地线相连接；二极管D2的阳极与地线相连接，阴极与B点相连接；电容器C1的一端与B点相连接，另一端与地线相连接；

比较器电路由第1比较器U1、第2比较器U2和电阻器R4、R5、R6、R7组成双向电压比较电路，B点为输入端，E点为输出端；其中：第1比较器U1和电阻器R4、R5构成正向比较器，第1比较器U1的管脚2为输入电压端，与B点相连接；管脚3为参考电压端，与C点相连接；管脚4、8两端为电源输入端，分别与-6V和+6V电源相连接；管脚1为第1比较器U1的输出端，与E点相连接；电阻器R4、R5组成电阻分压电路，为第1比较器U1提供C点的参考电压，电阻器R4的一端与+6V电源相连接，另一端与C点相连接，电阻器R5的一端与C点相连接，另一端与地线相连接；第2比较器U2与电阻器R6、R7构成负向比较器，第2比较器U2的管脚5为输入电压端，与B点相连接；管脚6为参考电压端，与D点相连接；管脚7为第2比较器U2的输出端，与E点相连接；电阻器R6、R7组成电阻分压电路，为第2比较器U2提供D点的参考电压，电阻器R6的一端与地线相连接，另一端与D点相连接，电阻器R7的一端与D点相连接，另一端与-6V电源相连接；

光电隔离输出电路由光电耦合器U3和电阻器R8、R9组成，其中：电阻器R8一端与E点相连接，另一端与光电耦合器U3的管脚2相连接；光电耦合器U3的管脚1与+6V电源相连接，管脚3与F点及电阻器R9相连接，电阻器R9的另一端与GND相连接，管脚4与+5V电源相连接；F点为整个电路的输出点，输出Vo信号。

所述的C点的正向参考电压值为0.06V，D点的负向参考电压值为-0.06V。

所述的可控硅T1的门极施加的控制电流为直流0.3A。

所述的可控硅T1的型号为QK040K7，第1比较器U1和第2比较器U2的型号为LM393，光电耦合器U3的型号为TLP521-1。

所述的电阻器的参数为R3：100K，R4：10K，R5：100Ω，R6：100Ω，R7：10K。

本发明提供的用于可控硅关断的检测电路能够在诸如电网电压波形严重畸变、负载电流波形严重畸变、电压电流不同相等情况下可靠地检测出可控硅的工作状态，作为交流稳压电源控制可控硅稳压切换时刻的依据，使得可控硅在各种情况下都可以可靠稳定地工作，克服了可控硅电压过零切换方式和电流过零切换方式所存在的问题。同时，该检测电路还能够将每个可控硅的工作状态传送给单片机进行分析、比较，单片机可即时或逐个工频周波地侦测出各可控硅是否按照控制指令工作，以形成闭环控制，因此可有效避免可控硅盲目切换。

附图说明

图1为已有技术的电压过零检测电路原理图。

图2为图1示出的电路在接纯阻性负载时，其输出电压和电流处于同相位时的波形图。

图3为图1示出的电路在接感性负载时，其输出电压相位超前输出电流相位时的波形图。

图4为图1所示的电路在接容性负载时，其输出电压相位滞后输出电流相位时的波形图。

图5为已有技术的电流过零检测电路原理图。

图6为图5示出的电路对于整流性负载所对应的波形图。

图7为图5示出的电路在一个工频周期内出现多个电流零点或峰值时的波形图。

图8为本发明提供的用于可控硅关断的检测电路原理图。

图9为本发明提供的用于可控硅关断的检测电路在双向可控硅应用中一具体实施例电路原理图。

图10为图9所示的电路中B点相对输入电压的波形图。

图11为图9所示的电路中F点相对输入电压的波形图。

图12为采用本发明提供的用于可控硅关断的检测电路所构成的补偿式交流稳压电源功能框图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明提供的用于可控硅关断的检测电路进行详细说明。

鉴于电压过零和电流过零方式各自存在的问题，本发明采用直接检测可控硅的导通压降(或可控硅的阴极、阳极之间的电压值)作为可控硅切换时刻的判断依据。

如果可控硅关断，则该可控硅两端的管压降为其工作电压，电压大约为几十～几百伏；如果可控硅导通，则该可控硅两端的导通管压降为2伏以下，这是本行业的公知常识。另一方面，当可控硅处于换向时刻时，可控硅会立即进入关断状态。

如图8所示，本发明提供的用于可控硅关断的检测电路包括：输入电路B1、比较器电路B2和输出电路B3；所述的可控硅T为双向可控硅元件，作为检测对象，可控硅T的门极与电阻器R2的一端相连接，电阻器R2的另一端接直流门极控制信号Vk，可控硅T的第二阳极与电阻器R1的一端相连接，电阻器R1的另一端接输入的交流电压信号Vi，可控硅T的第一阳极与地线相连接；其中：

输入电路B1为输入信号Vt的信号整形与输入保护电路，其输入端与可控硅T的第二阳极相连接，输出端与比较器电路B2的输入端相连接；

比较器电路B2为双向电压比较电路，具有一个输入端、一个输出端和两个参考电压输入端，其输入端与输入电路1B的输出端相连接，正向参考电压端与正向参考电压V1相连接，负向参考电压端与负向参考电压V2相连接，输出端与输出电路B3的输入端相连接；

输出电路B3为输出信号的隔离及电平转换电路，其输出端提供整个检测电路的输出信号Vo。

所述的输入电路B1由输入限幅器和滤波电路组成。

所述的比较器电路B2主要由两个电压比较器组成，其中：正向电压比较器的正输入端接正向参考电压V1，负输入端接输入信号Vb，输出端与比较器电路的输出端相连接；负向电压比较器的正输入端输入信号Vb接，负输入端接负向参考电压V2，输出端与比较器电路的输出端相连接。

所述的输出电路B3主要由光电耦合器电路组成。

本发明提供的用于可控硅关断的检测电路是以可控硅T的管压降Vt等于导通压降Von来作为可控硅T的关断临界点；通常可控硅的导通压降Von为2伏左右，考虑到可控硅T导通电流变化时管压降瞬间浮动的现象及抗干扰问题，该电压阈值可以取得低些。

所述的电压比较器B2的正向参考电压V1及负向参考电压V2为双向比较器电路的翻转电压，即当输入电压Vb进入V2＜Vb＜V1的范围时，电路的输出Ve发生翻转，V1和V2的取值根据可控硅T的导通压降Von的值来确定，正向参考电压V1的取值范围为：0＜V2≤Von；负向参考电压V2的取值范围为：-Von≤V2＜0；通常可控硅T的导通压降Von为2伏以下。

下面简述一下图8所示电路的工作原理：可控硅T的管压降信号Vt经过输入电路B1整形滤波后得到信号Vb，信号Vb被送到比较器电路B2的输入端，比较器电路B2将信号Vb与参考电压V1及V2进行比较，当输入信号Vb进入V2＜Vb＜V1的范围时，比较器电路B2的输出信号Ve发生正跳变，同理当Vb超出V2＜Vb＜V1的范围时，输出信号Ve发生负跳变；比较器电路B2输出信号Ve的电平跳变经过输出电路B3后在其输出端生成输出信号Vo，依据输出信号Vo的变化就能确定出可控硅T的导通和关断位置。

以上大致说明本发明提供的用于可控硅关断的检测电路组成及各部分工作原理，下面通过具体电路对本发明提供的用于可控硅关断的检测电路进行进一步说明。

图9为本发明提供的用于可控硅关断的检测电路在双向可控硅应用中一具体实施例电路原理图。如图9所示，所述的用于可控硅关断的检测电路包括：输入限幅与滤波电路、比较器电路和光电隔离输出电路；所述的可控硅"为双向可控硅元件，作为检测对象，其门极通过电阻器R2接-4V门极控制电压，第二阳极通过电阻器R1接输入交流110V电压，第一阳极与地线相连接，可控硅T1的第二阳极为A点，即为检测电路的输入点；其中：

输入限幅与滤波电路由电阻器R3、二极管D1、D2和电容器C1组成；其中：电阻器R3的一端与A点相连接，另一端与B点相连接；二极管D1的阳极与B点相连接，阴极与地线相连接；二极管D2的阳极与地线相连接，阴极与B点相连接；电容器C1的一端与B点相连接，另一端与地线相连接；

比较器电路由第1比较器U1、第2比较器U2和电阻器R4、R5、R6、R7组成，其为双向电压比较电路，B点为输入端，E点为输出端；其中：第1比较器U1和电阻器R4、R5构成正向电压比较器，第1比较器U1的管脚2为输入电压端，与B点相连接；管脚3为参考电压端，与C点相连接；管脚4、8两端为电源输入端，分别与-6V和+6V电源相连接；管脚1为第1比较器U1的输出端，与E点相连接；电阻器R4、R5组成电阻分压电路，为第1比较器U1提供C点的参考电压，电阻器R4的一端与+6V电源相连接，另一端与C点相连接，电阻器R5的一端与C点相连接，另一端与地线相连接；第2比较器U2与电阻器R6、R7构成负向电压比较器，第2比较器U2的管脚5为输入电压端，与B点相连接；管脚6为参考电压端，与D点相连接；管脚7为第2比较器U2的输出端，与E点相连接；电阻器R6、R7组成电阻分压电路，为第2比较器U2提供D点的参考电压，电阻器R6的一端与地线相连接，另一端与D点相连接，电阻器R7的一端与D点相连接，另一端与-6V电源相连接；

光电隔离输出电路由光电耦合器U3与电阻器R8、R9组成，其中：电阻器R8一端与E点相连接，另一端与光电耦合器U3的管脚2相连接；光电耦合器U3的管脚1与+6V电源相连接，管脚3与F点及电阻器R9相连接，电阻器R9的另一端与GND相连接，管脚4与+5V电源相连接；F点为整个电路的输出点，输出Vo信号。

所述的C点的正向参考电压值为0.06V，D点的负向参考电压值为-0.06V。

所述的可控硅T1的门极施加的控制电流为直流0.3A。

所述的可控硅T1的型号为QK040K7，第1比较器U1和第2比较器U2的型号为LM393，光电耦合器U3的型号为TLP521-1。

所述的电阻器的参数为R3：100K，R4：10K，R5：100Ω，R6：100Ω，R7：10K。

下面简述一下图9所示电路的工作原理：可控硅T1的管压降信号经过输入限幅与滤波电路后送到比较器电路的输入端B点，当输入电压即B点电压Vb在+0.06V至-0.06V之间时，比较器电路的输出端E点为高电平，当Vb＞+0.06V或Vb＜-0.06V时，E点为低电平，E点的信号经光电耦合器U3输出至F点，依据F点信号Vo的变化就能确定可控硅T1的导通和关断位置。

图10示出了图9所示的电路中B点相对输入电压的波形图。

图11示出了图9所示的电路中F点相对输入电压的波形图。

综上所述，本发明的核心思想是通过实时(即逐个工频周波)检测可控硅阴、阳极两端电压差大小的方式来分析判断并得到通过可控硅的阴、阳极的电流过零时刻，也就是判断可控硅的关断时刻，从而为该可控硅的下一次触发控制提供依据或同步信号。

下面举例说明本发明提供的用于可控硅关断的检测电路在补偿式交流稳压电源器之中的应用。

如图12所示，补偿式交流稳压电源是利用单片机控制技术来控制可控硅(SCR)工作。可控硅的导通方向又可控制相应的补偿变压器以何种方式投入使用。对于补偿部分，稳压电源每相共有3台补偿变压器，通过控制3台补偿变压器的导通方向(正向或反相)来补偿输入电压的电压变化，从而达到稳压的目的。

本发明提供的用于可控硅关断的检测电路不仅在理论上能够真实反映可控硅关断的时刻，并且在实际中可以得到良好的运用。依据此检测技术成功试制出一台三相15KVA交流稳压电源，经带电阻性、整流性、感性负载测试以及在带载状态下变化电源电压、增加谐波电压的各种测试，采用直接检测可控硅的导通压降，作为可控硅切换的判据，能够明显减少可控硅在调压切换时所产生的切换电流，特别是在非线性负载状态下，由于其不受电流波形畸变的影响，因此能够准确可靠地进行工作。

Claims (10)

1.一种用于可控硅关断的检测电路，其特征在于：所述的用于可控硅关断的检测电路包括输入电路B1、比较器电路B2和输出电路B3；所述的可控硅T为双向可控硅元件，作为检测对象，可控硅T的门极与电阻器R2的一端相连接，电阻器R2的另一端接直流门极控制信号Vk，可控硅T的第二阳极与电阻器R1的一端相连接，电阻器R1的另一端接输入的交流电压信号Vi，可控硅T的第一阳极与地线相连接；其中：

输入电路B1为输入信号Vt的信号整形与输入保护电路，其输入端与可控硅T的第二阳极相连接，输出端与比较器电路B2的输入端相连接；

比较器电路B2为双向电压比较电路，具有一个输入端、一个输出端和两个参考电压输入端，其输入端与输入电路1B的输出端相连接，正向参考电压端与正向参考电压V1相连接，负向参考电压端与负向参考电压V2相连接，输出端与输出电路B3的输入端相连接；

输出电路B3为输出信号的隔离及电平转换电路，其输出端提供整个检测电路的输出信号Vo。

2.根据权利要求1所述的用于可控硅关断的检测电路，其特征在于：所述的输入电路B1由输入限幅器和滤波电路组成。

3.根据权利要求1所述的用于可控硅关断的检测电路，其特征在于：所述的比较器电路B2主要由两个电压比较器组成，其中：正向电压比较器的正输入端接正向参考电压V1，负输入端接输入信号Vb，输出端与比较器电路的输出端相连接；负向电压比较器的正输入端输入信号Vb接，负输入端接负向参考电压V2，输出端与比较器电路的输出端相连接。

4.根据权利要求1所述的用于可控硅关断的检测电路，其特征在于：所述的输出电路B3主要由光电耦合器电路组成。

5.根据权利要求1所述的用于可控硅关断的检测电路，其特征在于：所述的电压比较器B2的正向参考电压V1及负向参考电压V2为双向比较器电路的翻转电压，V1和V2的取值根据可控硅T的导通压降Von的值来确定，正向参考电压V1的取值范围为：0＜V2≤Von；负向参考电压V2的取值范围为：-Von≤V2＜0；通常可控硅T的导通压降Von为2伏以下。

6.一种用于可控硅关断的检测电路，其特征在于：所述的用于可控硅关断的检测电路包括输入限幅与滤波电路、比较器电路和光电隔离输出电路；所述的可控硅T1为双向可控硅元件，作为检测对象，其门极通过电阻器R2接-4V门极控制电压，第二阳极通过电阻器R1接输入交流110V电压，第一阳极与地线相连接，可控硅T1的第二阳极为A点，即为检测电路的输入点；其中：

输入限幅与滤波电路由电阻器R3、二极管D1、D2和电容器C1组成；其中：电阻器R3的一端与A点相连接，另一端与B点相连接；二极管D1的阳极与B点相连接，阴极与地线相连接；二极管D2的阳极与地线相连接，阴极与B点相连接；电容器C1的一端与B点相连接，另一端与地线相连接；

比较器电路由第1比较器U1、第2比较器U2和电阻器R4、R5、R6、R7组成，其为双向电压比较电路，B点为输入端，E点为输出端；其中：第1比较器U1和电阻器R4、R5构成正向电压比较器，第1比较器U1的管脚2为输入电压端，与B点相连接；管脚3为参考电压端，与C点相连接；管脚4、8两端为电源输入端，分别与-6V和+6V电源相连接；管脚1为第1比较器U1的输出端，与E点相连接；电阻器R4、R5组成电阻分压电路，为第1比较器U1提供C点的参考电压，电阻器R4的一端与+6V电源相连接，另一端与C点相连接，电阻器R5的一端与C点相连接，另一端与地线相连接；第2比较器U2与电阻器R6、R7构成负向电压比较器，第2比较器U2的管脚5为输入电压端，与B点相连接；管脚6为参考电压端，与D点相连接；管脚7为第2比较器U2的输出端，与E点相连接；电阻器R6、R7组成电阻分压电路，为第2比较器U2提供D点的参考电压，电阻器R6的一端与地线相连接，另一端与D点相连接，电阻器R7的一端与D点相连接，另一端与-6V电源相连接；

光电隔离输出电路由光电耦合器U3与电阻器R8、R9组成，其中：电阻器R8一端与E点相连接，另一端与光电耦合器U3的管脚2相连接；光电耦合器U3的管脚1与+6V电源相连接，管脚3与F点及电阻器R9相连接，电阻器R9的另一端与GND相连接，管脚4与+5V电源相连接；F点为整个电路的输出点，输出Vo信号。

7.根据权利要求6所述的用于可控硅关断的检测电路，其特征在于：所述的C点的正向参考电压值为0.06V，D点的负向参考电压值为-0.06V。

8.根据权利要求6所述的用于可控硅关断的检测电路，其特征在于：所述的可控硅T1的门极施加的控制电流为直流0.3A。

9.根据权利要求6所述的用于可控硅关断的检测电路，其特征在于：所述的可控硅T1的型号为QK040K7，第1比较器U1和第2比较器U2的型号为LM393，光电耦合器U3的型号为TLP521-1。

10.根据权利要求6所述的用于可控硅关断的检测电路，其特征在于：所述的电阻器的参数为R3：100K，R4：10K，R5：100Ω，R6：100Ω，R7：10K。

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