CN103197579A - 一种驱动交流负载的开关器件的开闭控制方法及电路 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种驱动交流负载的开关器件的开闭控制方法，其特征在于：在AC交流输入电源和主控芯片MCU之间连接有过零检知回路，过零检知回路对AC交流输入电源进行检测，产生信号并传递给主控芯片MCU；主控芯片MCU根据过零检知回路提供的信号，通过开关器件驱动电路控制交流负载开关器件在电压过零点时开闭。本发明能最大程度降低机械开关器件开闭时的电弧；降低开关器件成本；杜绝感应负载产生强大感应电动势对系统的破坏；解决半导体型开关器件对电压变化率、电流变化率的较高要求。本发明可广泛应用在需要驱动交流开关器件的的家用甚至工业用途的电器设备上，对电器的安全可靠性、安全性等具有相当的意义。

Description

一种驱动交流负载的开关器件的开闭控制方法及电路

技术领域

本发明涉及电器领域，特别是一种驱动交流负载的开关器件的开闭控制方法及电路。

背景技术

在家用电器、工业用各种机械电器设备等电子电器设备中，都需要由低电压、小电流的电子开关器件来控制高电压、大电流的电子负载。开关器件如电磁继电器、半导体继电器等。它们的控制端通常由MCU直接连接控制或者MCU连接三极管等驱动回路来驱动，控制电流一般为12V，或者5V等DC电压，电流为几十毫安不等。驱动负载端通常为220V/380V，50Hz/60Hz的交流电压。

该类交流开关器件的负载多数是电感类器件，如空调器的AC风扇马达，四通阀等等。在连通或者断开的瞬间产生高于正常电压数倍的感应电动势，对交流回路里的电子器件造成极大的破坏。这时交流开关器件必须考虑到对破坏阀值足够的余量，因此交流开关器件的设计值必须远远大于正常使用值，增加了回路的整体成本。比如空调里四通阀负载电流为0.2A的回路，但是使用的开关器件电流规格值为3A。

同时，诱导电压的存在会对开关器件产生恶劣的影响。交流开关器件中的半导体类开关器件，在交流电压的非零点开断，会产生强大的感应电动势，达到很高的电压、电流变化率（dV/dt、dI/dt),从而破坏半导体器件，或者减小其使用寿命，降低可靠性。交流开关器件中的电磁继电器开闭时，还会产生电弧，电弧不仅会产生臭氧，吸引昆虫及破坏零件，还会降低继电器触点的使用寿命及可靠性；而市场电网电压等情况复杂，如何选择余量仍有风险。

针对上述问题，本领域技术人员进行了很多方面的尝试和研究改进。现在解决方法基本集中在以下几个方面：提高开关器件最大可承受的电压、电流值；机械型开关器件外壳打开一个供臭氧消散的孔洞；开关器件并联或串联用于消除浪涌电压、电流的电子元器件，如CR（减弧器）等；提高半导体开关器件的可承受电压变化率（dV/dt）、电流变化率（dI/dt）。

但是，上述解决方案存在以下缺点：提高开关器件最大可承受的电压、电流值，增加硬件回路成本，且不能完全保证风险余量；机械型开关器件打开的空洞由于臭氧存在，吸引昆虫前来，会破坏器件的电气或者机械性能；开关器件连接消除浪涌电流、浪涌电压的电子元器件，增加硬件成本，且增加的电子器件会增加新的不良率发生；较高的电压变化率和电流变化率不仅会降低半导体开关器件的使用寿命，还会产生EMC（电磁兼容性）风险；机械型开关器件产生电弧，引起火灾风险，电弧产生的臭氧还会进一步腐蚀开关器件，降低器件使用寿命。

发明内容

为克服现有技术中的缺点，本发明的目的是提供一种驱动交流负载的开关器件的开闭控制方法，其能从根本上解决了开关器件开闭时的产生电弧、浪涌电压、浪涌电流等有害因素的问题。

本发明的另一个目的是提供一种实现上述方法的驱动交流负载的开关器件的开闭控制电路。

为了解决上述技术问题，本发明是通过以下技术方案实现的：一种驱动交流负载的开关器件的开闭控制方法，其特征在于：在AC交流输入电源和主控芯片MCU之间连接有过零检知回路，过零检知回路对AC交流输入电源进行检测，产生信号并传递给主控芯片MCU；主控芯片MCU根据过零检知回路提供的信号，通过开关器件驱动电路控制交流负载开关器件在电压过零点时开闭。

所述的主控芯片MCU根据过零检知回路发出的信号，并叠加开关器件驱动电路延时情况、交流负载开关器件开闭延时情况，决定发出指令的时间，使交流负载开关器件在交流电压的过零点开闭。

所述过零点的检知方法是：过零检知回路采用数字低通滤波器对原始信号进行滤波,再进行线性插值提取电压零点；或者，利用光电转换特性,主控芯片MCU检测整形后梯形波信号的前后沿对应时间,计算得出过零点的时刻；或者，过零检知回路采用光耦在交流电压接近过零点时产生脉冲信号，主控芯片MCU根据脉冲信号推算过零点时刻。

一种驱动交流负载的开关器件的开闭控制电路，其特征在于包括：AC交流输入电源；过零检知回路，对AC交流输入电源进行检测，产生过零信号；主控芯片MCU，根据过零检知回路提供的过零信号发出指令；开关器件驱动电路，接收主控芯片MCU的指令并控制下述交流负载开关器件的开闭；交流负载开关器件，根据开关器件驱动电路的信号控制AC交流输入电源与AC电源负载模块之间的通断。

所述的交流负载开关器件选自为机械继电器、固态继电器或可控硅半导体型继电器。

所述的过零检知回路包括有单向光耦PC3，其一次侧通过两个电阻R1和R2连接到AC交流输入电源上，其二次侧分别和电源的5V、主控芯片MCU相连；当一次侧的电流值达到单向光耦PC3动作的阀值时，单向光耦PC3动作，二次侧的内部三极管导通，向主控芯片MCU提供一个5V幅值的脉冲信号。

本发明与现有技术相比，具有以下优点：①能最大程度降低机械开关器件开闭时的电弧，杜绝电弧带来的安全隐患及电弧产生臭氧带来的腐蚀作用；②降低了开关器件为对应浪涌电流、浪涌电压而不得不提高的器件的最大电流、电压值，有效降低器件成本；③杜绝了浪涌电流、电压在感应负载上面产生的强大感应电动势对系统的破坏；④解决半导体型开关器件对电压变化率、电流变化率（dV/dt、dI/dt)的较高要求，提高半导体器件的可靠性，降低半导体开关器件外围电路的成本。本发明可广泛应用在需要驱动交流开关器件的的家用甚至工业用途的电器设备上，对电器的安全可靠性、安全性等具有相当的意义。

附图说明

图1是本发明的结构框图；

图2是本发明中AC交流输入电源、过零检知回路、主控芯片MCU、交流负载开关器件对应的电压波形图；

图3是本发明的实施电路图。

具体实施方式

如图1、图2所示，本发明是一种驱动交流负载的开关器件的开闭控制方法，其在AC交流输入电源1和主控芯片MCU4之间连接有过零检知回路8，通过过零检知回路8对AC交流输入电源1进行检测，产生信号并传给主控芯片MCU4；主控芯片MCU4根据过零检知回路8提供的信号通过开关器件驱动电路5、6、7分别控制交流负载开关器件12、13、14在过零点时开闭，从根本上解决了开关器件开闭时的电弧、浪涌电压、浪涌电流等有害因素的产生。

过零点的检知方法为现有技术，例如2012年第02期《仪表技术与传感器》公开的《交流电源过零点检测新方法》、中国专利201010586260.3中均有详细描述。在本技术方案中，可以采用的方法为：过零检知回路8采用数字低通滤波器对原始信号进行滤波,再进行线性插值提取电压零点；或者，利用光电转换特性,主控芯片MCU4检测整形后梯形波信号的前后沿对应时间,计算得出过零点的时刻；或者，过零检知回路8将市电转换为同频同相的低压信号,其中的光耦在交流电压接近过零点时产生脉冲，主控芯片MCU4外部中断产生时刻作为过零点时刻。通过上述方法，过零检知回路8通过检测直接产生过零信号；或过零检知回路8本身具有处理芯片，检测后通过运算产生过零信号；或通过过零检知回路8检测产生信号传递到主控芯片MCU4，再由主控芯片MCU4通过运算产生过零点的信号。

由于开关器件驱动电路5、6、7存在延时情况，交流负载开关器件12、13、14开闭存在延时情况，因此优选的，主控芯片MCU4根据过零检知回路8发出的信号，并叠加开关器件驱动电路5、6、7延时情况、交流负载开关器件12、13、14开闭延时情况，通过特定的运算方法法决定发出指令的时间，使交流负载开关器件12、13、14能够最准确地在交流电压的过零点开闭，效果最好。涉及的运算方法是本领域技术人员根据公知常识及不同的实际情况能够得到的，在此不做详细说明。

实现上述方法的一种驱动交流负载的开关器件的开闭控制电路，其包括：AC交流输入电源1；过零检知回路8，对AC交流输入电源1进行检测，产生信号并传给主控芯片MCU4；主控芯片MCU4，其根据过零检知回路8提供的信号，发出指令；开关器件驱动电路5、6、7，接收主控芯片MCU4的指令并分别控制下述交流负载开关器件12、13、14的开闭；交流负载开关器件12、13、14，控制AC交流输入电源1与AC电源负载模块9、10、11之间的通断。交流负载开关器件12、13、14可以选自机械继电器、固态继电器或可控硅半导体型继电器等接通交流电源或者控制交流电源的开闭的可控型功率器件。

如图1所示，AC交流输入电源1通过整流滤波模块2后连接电源电路3，电源电路3提供主控芯片MCU4所需的电压，主控芯片MCU4分别在AC电压的过零点控制开关器件驱动电路5来控制交流负载开关器件12、通过开关器件驱动电路6开控制交流负载开关器件13，通过开关器件驱动电路7开控制交流负载开关器件14的开闭。交流负载开关器件12、13、14的开关分别控制AC电源负载模块9、10、11。交流电源过零检知回路8连接AC交流输入电源1和主控芯片MCU4；主控芯片MCU4根据交流电源过零检知回路8提供的信号，开关器件驱动电路5、6、7的延时，交流负载开关器件12、13、14本身的延时等关联信息，通过特定的算法，计算得出能使交流负载开关器件12、13、14在过零点开闭的最佳驱动时间，从而可以控制交流负载开关器件12、13、14在过零点开闭。

以下通过结合附图及具体例子对本发明作进一步的详细说明，但本发明并不限于此特定例子。

实施例

如图2、图3所示，本实施例中：

AC交流输入电路1通过整流滤波模块2后提供为电源电路3的输入电压。电源电路3可输出值为5V供给主控芯片MCU4作为工作电源。本实施例的过零检知回路8中，单向光耦PC3一次侧通过两个电阻R1和R2连接到AC交流输入电路1上，以此来限制输入光耦的最大电流值。PC3的二次侧分别和电源电路3的5V、主控芯片MCU4相连。由于一次侧交流电源的正弦波，R1、R2、光耦PC3的电流随着正弦波的电压值而变化，当电流值达到光耦PC3动作的阀值时，光耦PC3动作，二次侧的内部三极管导通、向主控芯片MCU4提供一个5V幅值的脉冲，从而使二次侧每一个正弦波周期至少提供一个脉冲。主控芯片MCU4根据脉冲的周期，推测出交流电压真正的过零点。开关器件驱动电路5包括三极管Q1、三极管Q2。交流负载开关器件12、13分别为继电器RY1、固态继电器SSR1。AC电源负载模块9、10分别为两个AC马达。继电器RY1的驱动由于考虑到MCU的驱动能力，通过三极管Q1实行，同样道理固态继电器SSR1的驱动也由三极管Q2实行。本实施例中，主控芯片MCU4接收来自过零检知回路8的信号，通过处理计算，准确预测出交流电压的过零点。在系统需要打开或者关闭AC马达时，主控芯片MCU4根据开关器件驱动电路5的延时情况、继电器RY1、固态继电器SSR1开闭的延时情况和过零点的时间综合考虑，最后决定发出指令的时间，达到继电器、固态继电器等功率开关器件在交流电压的过零点开断。

Claims (6)

1.一种驱动交流负载的开关器件的开闭控制方法，其特征在于：在AC交流输入电源和主控芯片MCU之间连接有过零检知回路，过零检知回路对AC交流输入电源进行检测，产生信号并传递给主控芯片MCU；主控芯片MCU根据过零检知回路提供的信号，通过开关器件驱动电路控制交流负载开关器件在电压过零点时开闭。

2.根据权利要求1所述的驱动交流负载的开关器件的开闭控制方法，其特征在于：所述的主控芯片MCU根据过零检知回路发出的信号，并叠加开关器件驱动电路延时情况、交流负载开关器件开闭延时情况，决定发出指令的时间，使交流负载开关器件在交流电压的过零点开闭。

3.根据权利要求1所述的驱动交流负载的开关器件的开闭控制方法，其特征在于：所述过零点的检知方法是：过零检知回路采用数字低通滤波器对原始信号进行滤波,再进行线性插值提取电压零点；或者，利用光电转换特性,主控芯片MCU检测整形后梯形波信号的前后沿对应时间,计算得出过零点的时刻；或者，过零检知回路采用光耦在交流电压接近过零点时产生脉冲信号，主控芯片MCU根据脉冲信号推算过零点时刻。

4.一种驱动交流负载的开关器件的开闭控制电路，其特征在于包括：AC交流输入电源；过零检知回路，对AC交流输入电源进行检测，产生过零信号；主控芯片MCU，根据过零检知回路提供的过零信号发出指令；开关器件驱动电路，接收主控芯片MCU的指令并控制下述交流负载开关器件的开闭；交流负载开关器件，根据开关器件驱动电路的信号控制AC交流输入电源与AC电源负载模块之间的通断。

5.根据权利要求4所述的驱动交流负载的开关器件的开闭控制电路，其特征在于：所述的交流负载开关器件选自为机械继电器、固态继电器或可控硅半导体型继电器。

6.根据权利要求4所述的驱动交流负载的开关器件的开闭控制电路，其特征在于：所述的过零检知回路包括有单向光耦PC3，其一次侧通过两个电阻R1和R2连接到AC交流输入电源上，其二次侧分别和电源的5V、主控芯片MCU相连；当一次侧的电流值达到单向光耦PC3动作的阀值时，单向光耦PC3动作，二次侧的内部三极管导通，向主控芯片MCU提供一个5V幅值的脉冲信号。

Images