CN105141142A - 阻性负载数字式交流高频斩波功率控制电路 - Google Patents

Abstract

本发明涉及调功设备技术领域，公开了一种阻性负载数字式交流高频斩波功率控制电路，它包括EMC滤波电路、调功主回路、光耦隔离式驱动电路、温度测量电路、MCU模块控制电路、辅助电源；EMC滤波电路与调功主回路相连接，调功主回路与阻性负载R-LOAD相连接，阻性负载R-LOAD外侧附着有温度传感器U2，温度测量电路与MCU模块控制电路相连接，MCU模块控制电路与光耦隔离式驱动电路相连接，光耦隔离式驱动电路与调功主回路相连接；本发明对于输入的交流电压，用高频PWM将其斩波，输出的电压作用于阻性负载用以加热，温度传感器附于阻性负载之上，本电路将待测物体温度与设定温度相比较，MCU模块控制电路内部通过增量式PID闭环反馈以控制阻性负载的加热量。

Description

阻性负载数字式交流高频斩波功率控制电路

技术领域

本发明涉及调功设备技术领域，具体的说是一种调功效率高、功率因数高的阻性负载数字式交流高频斩波功率控制电路。

背景技术

调功器是用于调整负载功率的功率调整单元，目前市场上以应用晶闸管（又称可控硅）及其触发控制电路为核心的调功器仍占很大比重。可控硅的缺点为：首先可控硅静态及动态的过载能力较差，容易受到干扰而误导通，降低系统的安全性和可靠性；其次在大功率运用过程中可控硅会产生高次谐波，使电网电压波形畸变，对电网干扰严重，不符合“绿色能源”这一理念。目前市场上多数的调功器控制功能单一，只是设定单一的温度值。近年来随着数字电路尤其是单片机的发展，全控型器件性能的不断改良，尤其是WIFI通信方式的普遍化，负载的调功系统需要进行改进。

发明内容

本发明的目的是提供一种阻性负载数字式交流高频斩波功率控制电路，以解决可控硅型调功器控制功能单一，易产生高次谐波，系统的安全性、可靠性不高的问题。

为解决上述技术问题，本发明所采取的技术方案为：

一种阻性负载数字式交流高频斩波功率控制电路，本电路主要涉及阻性负载的加热控制，其特征在于:它包括EMC滤波电路、调功主回路、光耦隔离式驱动电路、温度测量电路、MCU模块控制电路、辅助电源；EMC滤波电路与调功主回路相连接，调功主回路与阻性负载R-LOAD相连接，阻性负载R-LOAD外侧附着有温度测量电路，温度测量电路的输出与MCU模块控制电路端口相连接，MCU模块控制电路的PWM输出端口与光耦隔离式驱动电路相连接，光耦隔离式驱动电路与调功主回路中的绝缘栅双极型晶体管Q1的栅极相连接；辅助电源为MCU模块控制电路、光耦隔离式驱动电路提供电源；所述调功主回路由电感器L2、电容C2组成的输入级电感电容滤波电路，二极管D1、二极管D2、二极管D4、二极管D5、绝缘栅双极型晶体管Q1组成的交流开关和电感器L1、电容C1组成的输出级电感电容滤波电路组成，二极管D1、二极管D2、二极管D4、二极管D5作为导向二极管，结合绝缘栅双极型晶体管Q1可以对输入的交流电压进行开关控制，绝缘栅双极型晶体管Q1工作在高频开关模式；所述MCU模块控制电路内部编写了增量式PID控制算法，同时内部集成了频率和占空比可调的PWM模块、WIFI通信功能；本电路接通主电源后，交流输入电压经过EMC滤波电路，滤除主电源的共模差模干扰信号，滤波后的电压进入调功主回路中，经输入级电感电容滤波电路滤波、交流开关导通后进入输出级电感电容滤波电路再次滤波后，传输到阻性负载R-LOAD，阻性负载R-LOAD发热温度升高，温度测量电路将检测到的待测物体温度信号传输给MCU模块控制电路，MCU模块控制电路将接收到的温度信号与设定的温度信号进行比较，并经过增量式PID控制算法计算后，将受控制的PWM传输给光耦隔离式驱动电路，经过一级倒相和一级推挽驱动，送至绝缘栅双极型晶体管Q1的栅极，进而调整阻性负载的功率。

作为本发明的进一步改进，所述EMC滤波电路由集成在EMC滤波电路内部的X滤波电容、Y滤波电容、共模电感，可以滤除主电源所输入电压的共模干扰和差模干扰，EMC滤波电路亦能够减弱本电路对电网的影响，所述EMC滤波电路的型号为：CW4EL2-20A-S。

作为本发明的更进一步改进，所述温度测量电路由温度传感器U2、热电偶转换器U3组成，温度传感器U2为Ｋ型镍铬－镍硅热电偶，采集阻性负载R-LOAD的实时温度，热电偶转换器U3为K型热电偶转换器，内部集成了滤波器、放大器等元件，并带有热电偶断线检测电路，自带冷端补偿，能将K型热电偶输出的电势直接转换成12位数字量并以串行方式传送至MCU模块控制电路，所述温度传感器U2的型号为WRN-122，所述热电偶转换器U3的型号为MAX6675。

作为本发明的更进一步改进，所述光耦隔离式驱动电路由高速光耦U1和电阻R3、电阻R6、三极管Q4组成的倒相电路以及三极管Q2、三极管Q3组成的推挽电路组成，高速光耦U1用来隔离调功主回路的高压与MCU模块控制电路一侧的低压，推挽电路用以提高MCU模块控制电路输出的PWM脉冲电压信号的驱动能力。

作为本发明的更进一步改进，所述辅助电源为反激式开关电源电路，输出二路电压，第一路+12V电压的地连接至绝缘栅双极型晶体管Q1的发射极，并给光耦隔离式驱动电路供电，第二路+3.3V电压给MCU模块控制电路和热电偶转换器U3供电。

作为本发明的更进一步改进，所述MCU模块控制电路中的设定温度值是外部上位机通过WIFI通信功能进行传输设定的，在有无线路由器的环境下，通过联网控制；所述设定温度可以是单一的温度值，也可以连续变化的温度曲线；所述上位机与MCU模块控制电路采用TCP协议通信。

作为本发明的更进一步改进，所述MCU模块控制电路的型号为CC3200。

作为本发明的更进一步改进，所述上位机是计算机或者智能手机。

在本发明中所述调功主回路中的核心的功率器件是由二极管D1、二极管D2、二极管D4、二极管D5作为导向二极管和绝缘栅双极型晶体管Q1组成的交流开关，由于单个的绝缘栅双极型晶体管Q1是单向器件，对于交流电压必须运用二极管的单向导电性加以组合，才能构成交流开关。

本发明所述的阻性负载加热控制电路，本质上是调功电路，更深层次是交流调压电路，由于运用了绝缘栅双极型晶体管Q1作为功率开关，绝缘栅双极型晶体管Q1工作在高频开关模式，将主电源的一个周期分成无数的小份，频率不变，占空比变化，占空比越大，则输出电压越大，占空比越小，则输出电压越低。

本发明所述电路的温控过程为：对于输入的交流电压，用高频PWM将其斩波，输出的电压作用于阻性负载用以加热，温度传感器附于阻性负载之上，本电路将待测物体温度与设定温度相比较，MCU模块控制电路内部通过增量式PID闭环反馈以控制阻性负载的加热量。

本发明适用的负载性质仅为阻性负载，当接入容性负载或感性负载时，由于没有续流通路而造成电路工作异常，更有可能损坏内部功率器件。

本发明是对调功设备精密温控提出了一种新思路，本质上讲，根据实际需要可以通过调整内部元件参数，设计出符合实际应用的电路。例如如果市场上需求一种大功率高温精密加热设备，对于本发明可以选择范围合适的温度传感器U2、符合功率要求的绝缘栅双极型晶体管Q1,如果其功率仍不够，可以选择IGBT模块等等，而且应当选择合适的散热器耗散掉绝缘栅双极型晶体管Q1上和四个导向二极管上的热量，以提高电路的使用寿命，必要时还需增加风冷散热器或者液冷散热器。

本发明的有益效果为：

（1）本发明所述电路的效率高,调功核心采用高频斩波式全控型器件绝缘栅双极型晶体管Q1，其工作在高频开关状态，故而大大提高了电路的工作效率；

（2）本发明功率因数高，由于采用绝缘栅双极型晶体管Q1高频斩波，滤波相对简单，输入电流跟随输入电压，与可控硅调功相比，大大提高了功率因数；

（3）本发明所述的阻性负载的功率控制方法先进，不同于设定的单一温度值，可以根据预先设定的温度曲线进行阻性负载的加热控制；

（4）本发明控制功能强大，所述MCU模块控制电路中的设定温度值是外部上位机通过WIFI通信功能进行传输设定的，在有无线路由器的环境下，通过联网控制；所述设定温度可以是单一的温度值，也可以是温度曲线；所述上位机与MCU模块控制电路采用TCP协议通信，将此种通信方式应用到本发明中，使其成为网络的一个节点；

（5）本发明所述电路的温控精密性高，采用热电偶温度传感器，附着在阻性负载上，在MCU模块控制电路中运用了增量式PID闭环反馈控制所输出的PWM脉冲，能够满足精密温控要求。

附图说明

图1为本发明的电路原理图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的技术方案作进一步的详细说明。

一种阻性负载数字式交流高频斩波功率控制电路，本电路主要涉及阻性负载的加热控制，其特征在于:它包括EMC滤波电路、调功主回路、光耦隔离式驱动电路、温度测量电路、MCU模块控制电路、辅助电源；EMC滤波电路与调功主回路相连接，调功主回路与阻性负载R-LOAD相连接，阻性负载R-LOAD外侧附着有温度测量电路，温度测量电路的输出与MCU模块控制电路端口相连接，MCU模块控制电路的PWM输出端口与光耦隔离式驱动电路相连接，光耦隔离式驱动电路与调功主回路中的绝缘栅双极型晶体管Q1的栅极相连接；辅助电源为MCU模块控制电路、光耦隔离式驱动电路提供电源；调功主回路由电感器L2、电容C2组成的输入级电感电容滤波电路，二极管D1、二极管D2、二极管D4、二极管D5、绝缘栅双极型晶体管Q1组成的交流开关和电感器L1、电容C1组成的输出级电感电容滤波电路组成，二极管D1、二极管D2、二极管D4、二极管D5作为导向二极管，结合绝缘栅双极型晶体管Q1可以对输入的交流电压进行开关控制，绝缘栅双极型晶体管Q1工作在高频开关模式；MCU模块控制电路内部编写了增量式PID控制算法，同时内部集成了频率和占空比可调的PWM模块、WIFI通信功能；本电路接通主电源后，交流输入电压经过EMC滤波电路，滤除主电源的共模差模干扰信号，滤波后的电压进入调功主回路中，经输入级电感电容滤波电路滤波、交流开关导通后进入输出级电感电容滤波电路再次滤波后，传输到阻性负载R-LOAD，阻性负载R-LOAD发热温度升高，温度测量电路将检测到的待测物体温度信号传输给MCU模块控制电路，MCU模块控制电路将接收到的温度信号与设定的温度信号进行比较，并经过增量式PID控制算法计算后，将受控制的PWM传输给光耦隔离式驱动电路，经过一级倒相和一级推挽驱动，送至绝缘栅双极型晶体管Q1的栅极，进而调整阻性负载的功率。

EMC滤波电路由集成在EMC滤波电路内部的X滤波电容、Y滤波电容、共模电感，可以滤除主电源所输入电压的共模干扰和差模干扰，EMC滤波电路亦能够减弱本电路对电网的影响，EMC滤波电路的型号为：CW4EL2-20A-S。

温度测量电路由温度传感器U2、热电偶转换器U3组成，温度传感器U2为Ｋ型镍铬－镍硅热电偶，采集阻性负载R-LOAD的实时温度，热电偶转换器U3为K型热电偶转换器，内部集成了滤波器、放大器等元件，并带有热电偶断线检测电路，自带冷端补偿，能将K型热电偶输出的电势直接转换成12位数字量并以串行方式传送至MCU模块控制电路，温度传感器U2的型号为WRN-122，热电偶转换器U3的型号为MAX6675。

光耦隔离式驱动电路由高速光耦U1和电阻R3、电阻R6、三极管Q4组成的倒相电路以及三极管Q2、三极管Q3组成的推挽电路组成，高速光耦U1用来隔离调功主回路的高压与MCU模块控制电路一侧的低压，推挽电路用以提高MCU模块控制电路输出的PWM脉冲电压信号的驱动能力。

辅助电源为反激式开关电源电路，输出二路电压，第一路+12V电压的地连接至绝缘栅双极型晶体管Q1的发射极，并给光耦隔离式驱动电路供电，第二路+3.3V电压给MCU模块控制电路和热电偶转换器U3供电。

MCU模块控制电路中的设定温度值是外部上位机通过WIFI通信功能进行传输设定的，在有无线路由器的环境下，通过联网控制；设定温度可以是单一的温度值，也可以连续变化的温度曲线；上位机与MCU模块控制电路采用TCP协议通信。

MCU模块控制电路的型号为CC3200。

上位机是计算机或者智能手机。

在本发明中调功主回路中的核心的功率器件是由二极管D1、二极管D2、二极管D4、二极管D5作为导向二极管和绝缘栅双极型晶体管Q1组成的交流开关，由于单个的绝缘栅双极型晶体管Q3是单向器件，对于交流电压必须运用二极管的单向导电性加以组合，才能构成交流开关。

本发明所述的阻性负载加热控制电路，本质上是调功电路，更深层次是交流调压电路，由于运用了绝缘栅双极型晶体管Q1作为功率开关，绝缘栅双极型晶体管Q1工作在高频开关模式，将主电源的一个周期分成无数的小份，频率不变，占空比变化，占空比越大，则输出电压越大，占空比越小，则输出电压越低。

本发明所述电路的温控过程为：对于输入的交流电压，用高频PWM将其斩波，输出的电压作用于阻性负载用以加热，温度传感器附于阻性负载之上，本电路将待测物体温度与设定温度相比较，MCU模块控制电路内部通过增量式PID闭环反馈以控制阻性负载的加热量。

本发明适用的负载性质仅为阻性负载，当接入容性负载或感性负载时，由于没有续流通路而造成电路工作异常，更有可能损坏内部功率器件。

应当理解，在未脱离本发明构思前提下,对本发明所做的任何微小变化与修饰均属于本发明的保护范围。

Claims (8)

1.一种阻性负载数字式交流高频斩波功率控制电路，本电路主要涉及阻性负载的加热控制，其特征在于:它包括EMC滤波电路、调功主回路、光耦隔离式驱动电路、温度测量电路、MCU模块控制电路、辅助电源；EMC滤波电路与调功主回路相连接，调功主回路与阻性负载R-LOAD相连接，阻性负载R-LOAD外侧附着有温度测量电路，温度测量电路的输出与MCU模块控制电路端口相连接，MCU模块控制电路的PWM输出端口与光耦隔离式驱动电路相连接，光耦隔离式驱动电路与调功主回路中的绝缘栅双极型晶体管Q1的栅极相连接；辅助电源为MCU模块控制电路、光耦隔离式驱动电路提供电源；所述调功主回路由电感器L2、电容C2组成的输入级电感电容滤波电路，二极管D1、二极管D2、二极管D4、二极管D5、绝缘栅双极型晶体管Q1组成的交流开关和电感器L1、电容C1组成的输出级电感电容滤波电路组成，二极管D1、二极管D2、二极管D4、二极管D5作为导向二极管，结合绝缘栅双极型晶体管Q1可以对输入的交流电压进行开关控制，绝缘栅双极型晶体管Q1工作在高频开关模式；所述MCU模块控制电路内部编写了增量式PID控制算法，同时内部集成了频率和占空比可调的PWM模块、WIFI通信功能；本电路接通主电源后，交流输入电压经过EMC滤波电路，滤除主电源的共模差模干扰信号，滤波后的电压进入调功主回路中，经输入级电感电容滤波电路滤波、交流开关导通后进入输出级电感电容滤波电路再次滤波后，传输到阻性负载R-LOAD，阻性负载R-LOAD发热温度升高，温度测量电路将检测到的待测物体温度信号传输给MCU模块控制电路，MCU模块控制电路将接收到的温度信号与设定的温度信号进行比较，并经过增量式PID控制算法计算后，将受控制的PWM传输给光耦隔离式驱动电路，经过一级倒相和一级推挽驱动，送至绝缘栅双极型晶体管Q1的栅极，进而调整阻性负载的功率。

2.根据权利要求1所述的阻性负载数字式交流高频斩波功率控制电路，其特征在于：所述EMC滤波电路由集成在EMC滤波电路内部的X滤波电容、Y滤波电容、共模电感，可以滤除主电源所输入电压的共模干扰和差模干扰，EMC滤波电路亦能够减弱本电路对电网的影响，所述EMC滤波电路的型号为：CW4EL2-20A-S。

3.根据权利要求1或2所述的阻性负载数字式交流高频斩波功率控制电路，其特征在于：所述温度测量电路由温度传感器U2、热电偶转换器U3组成，温度传感器U2为Ｋ型镍铬－镍硅热电偶，采集阻性负载R-LOAD的实时温度，热电偶转换器U3为K型热电偶转换器，内部集成了滤波器、放大器等元件，并带有热电偶断线检测电路，自带冷端补偿，能将K型热电偶输出的电势直接转换成12位数字量并以串行方式传送至MCU模块控制电路，所述温度传感器U2的型号为WRN-122，所述热电偶转换器U3的型号为MAX6675。

4.根据权利要求3所述的阻性负载数字式交流高频斩波功率控制电路，其特征在于：所述光耦隔离式驱动电路由高速光耦U1和电阻R3、电阻R6、三极管Q4组成的倒相电路以及三极管Q2、三极管Q3组成的推挽电路组成，高速光耦U1用来隔离调功主回路的高压与MCU模块控制电路一侧的低压，推挽电路用以提高MCU模块控制电路输出的PWM脉冲电压信号的驱动能力。

5.根据权利要求4所述的阻性负载数字式交流高频斩波功率控制电路，其特征在于：所述辅助电源为反激式开关电源电路，输出二路电压，第一路+12V电压的地连接至绝缘栅双极型晶体管Q1的发射极，并给光耦隔离式驱动电路供电，第二路+3.3V电压给MCU模块控制电路和热电偶转换器U3供电。

6.根据权利要求5所述的阻性负载数字式交流高频斩波功率控制电路，其特征在于：所述MCU模块控制电路中的设定温度值是外部上位机通过WIFI通信功能进行传输设定的，在有无线路由器的环境下，通过联网控制；所述设定温度可以是单一的温度值，也可以连续变化的温度曲线；所述上位机与MCU模块控制电路采用TCP协议通信。

7.根据权利要求6所述的阻性负载数字式交流高频斩波功率控制电路，其特征在于：所述MCU模块控制电路的型号为CC3200。

8.根据权利要求7所述的阻性负载数字式交流高频斩波功率控制电路，其特征在于：所述上位机是计算机或者智能手机。