智能交流电力电子开关的研究

2020-03-08徐晓玲胡康荣

华东交通大学学报 2020年1期

徐晓玲，胡康荣，刘珺

（1.华东交通大学电气与自动化工程学院，江西南昌330013；2.深圳市英威腾交通技术有限公司，广东深圳518108）

普通家用电器通常由机械开关进行通断控制，此类开关通断电路时会有电火花产生，不但减少使用寿命而且造成安全隐患。由于机械磨损，传统机械式开关使用寿命短，并且负载接入和断开时的相位是随机的，这样容易对电网造成电磁干扰。智能交流电力电子开关是一种全部由固态电子元件组成的用在交流场合的可遥控无触点开关。与传统的机械开关相比，智能交流电力电子开关应用于智能家居更具有优势：可遥控控制、使用寿命长、开断电路的可靠性高、动作速度迅速、电磁干扰小、开断电路时无机械振荡无噪声、不拉弧无火花、安全性高。智能家居方兴未艾[1]，在智能家居及安全性要求高的场所，智能交流电力电子开关将成为一种趋势。

可控硅（silicon-controlled rectifier，SCR）由于其通态压降低、成本低、易驱动等原因常应用于电力电子开关[2－3]。SCR 驱动是交流电力电子开关的一项关键技术，其有多种触发方式，传统的触发电路由三极管脉冲放大电路和脉冲变压器脉冲输出电路组成[4]。强触发方式电路产生的波形前端高抖后端低平，波形比较理想[5]。驱动电路也可采用AVR 单片机根据检测到的电流电压信号去驱动SCR，该电路适合交流调压和电机启动[6]。SCR 采用单片机通过合适的中间电路产生所需的触发波形也比较常见[7-8]，此类电路在电压干扰比较大时，易产生误导通，需要添加适当的抗干扰措施。SCR 的自驱动电路简单、成本低，而某些固态继电器则采用电阻自驱动式触发[9]。

在施加SCR 触发脉冲时，往往将触发脉冲和电源电压信号进行同步处理，需要合适的过零检测电路。过零检测电路比较经典的是用两个光耦控制器分别检测电源电压的过零时刻，进行触发控制[10-11]。这种过零检测方式易受SCR 两端电压波动的影响，抗干扰措施不力的情况下，易出现多次触发情况。采用带过零检测模块的光耦进行过零检测是一种简便方案，但电路的过零触发不够准确，可能误动作甚至损坏SCR。若在SCR投切电容器的工作环境出现误导通，那么会造成冲击涌流过大，SCR 和电容器将很容易遭受损坏[12]。这两种光耦过零检测电路存在过零误导通的情况，所以设计电路时须考虑相应的解决方法。采用比较器检测电路并通过软件设计相位补偿和零点校正的方法可提高过零检测的精度[13]，此方案成本稍高，需采用单片机。带相位补偿的高精度过零检测电路检测精度好[14]，但是电路复杂，所用芯片比较多，成本高。

国内外目前此类研究各有特色但成本稍高，不利于作为智能家居的民用电器开关进行推广；而在日益追求生活品质的今天，又因不具备手机遥控功能而显得智能性不足。因而研制一款具备可遥控、安全可靠、低成本的智能交流电力电子开关具备极高的科研价值与商业化推广价值。

1 电路结构与设计

电路框图如图1 所示。

1.1 红外控制电路的设计

红外控制方式相较于其它控制方式简单、成本低，采用无需单片机解码的简洁红外遥控方式。具体采用将红外接收头和解调输出电路集成的HS0038 芯片，工作频率为38 kHz，当器件接收到信号时，器件的OUT 端输出低电平；器件未接收到信号时，器件的OUT 端输出高电平。

电路采用非门和D 型触发器组成进行锁相和翻转的电路。为了配合HS0038B 的使用，电路中所用的芯片都是TTL 型的。非门用的是74LS04，D 型触发器用的是74LS74。 74LS04 给74LS74 创造与遥控按键同步的上升沿，且增强HS0038B 的驱动能力。 74LS74 的作用是实现锁相和电平翻转的功能。

图1 电路结构框图Fig.1 Structure scheme of the AC power electronic switch

1.2 SCR 主电路的设计

SCR 主电路是由触发电路和过零检测电路组成的，设计的SCR 主电路图如图2 所示。

电路中的R3 为限流电阻，R1 和R2 为防误触发电阻，RL 为负载。该电路工作原理为：假设ULN 大于0 时，表示电源在正半周，ULN 小于0时，则表示为电源在负半周；若MOC3083 的LED端输入信号F 可以驱动LED 导通，那么MOC3083 的双向晶闸管输出端就可以工作，则当电源从负半周向正半周过零进入正半周时，MOC3083 输出端导通，晶闸管VT2 正偏，电源经D1，MOC3083 输出端，R3，R2，RL 构成触发回路，VT2 的G 极电位比K 极电位高，故VT2 的G 极有触发电流流过，当电流增大到一定值时，VT2导通；当电源从正半周向负半周过零进入负半周时，MOC3083 输出端导通，晶闸管VT1 正偏，电源经D2，MOC3083 输出端，R3，R1，RL 构成触发回路，VT1 的G 极电位比K 极电位高，VT1 的门极有触发电流流过，当电流增大到一定值时，VT1 导通。整个电路通过调节R3 的值可以调节触发时间，即移相。

图2 SCR 主电路图Fig.2 SCR main circuit

2 计算机仿真

红外控制电路仿真由美国国家仪器（NI）有限公司推出的以Windows 为基础的仿真工具Multisim 14。测试点的电压波形图如图3 所示。

图3 红外控制仿真波形图Fig.3 Simulation result of infrared control circuit

当S1 合上，相当于HS0038B 未接收到信号；U1A 的输入端变为高电平，它的输出端变为低电平，产生了一个下降沿，U2A 的Q 端保持上一个电平状态。当S1 断开，相当于HS0038B 接到信号，U1A 输入低电平，它的输出变为高电平，产生了一个上升沿，U2A 的Q 端电平状态翻转。观察U2A 的输出端所接的LED 负载工作情况，得知这个电路的工作是符合设计要求的。从仿真结果看，设计电路合理。