智能交流電力電子開關的研究

徐曉玲，胡康榮，劉 珺

（1.華東交通大學電氣與自動化工程學院，江西 南昌330013；2.深圳市英威騰交通技術有限公司，廣東 深圳518108）

普通家用電器通常由機械開關進行通斷控制，此類開關通斷電路時會有電火花產生，不但減少使用壽命而且造成安全隱患。 由于機械磨損，傳統機械式開關使用壽命短，并且負載接入和斷開時的相位是隨機的，這樣容易對電網造成電磁干擾。 智能交流電力電子開關是一種全部由固態電子元件組成的用在交流場合的可遙控無觸點開關。 與傳統的機械開關相比，智能交流電力電子開關應用于智能家居更具有優勢：可遙控控制、使用壽命長、開斷電路的可靠性高、動作速度迅速、電磁干擾小、開斷電路時無機械振蕩無噪聲、不拉弧無火花、安全性高。 智能家居方興未艾[1]，在智能家居及安全性要求高的場所，智能交流電力電子開關將成為一種趨勢。

可控硅（silicon-controlled rectifier，SCR）由于其通態壓降低、成本低、易驅動等原因常應用于電力電子開關[2－3]。SCR 驅動是交流電力電子開關的一項關鍵技術，其有多種觸發方式，傳統的觸發電路由三極管脈沖放大電路和脈沖變壓器脈沖輸出電路組成[4]。 強觸發方式電路產生的波形前端高抖后端低平，波形比較理想[5]。 驅動電路也可采用AVR 單片機根據檢測到的電流電壓信號去驅動SCR，該電路適合交流調壓和電機啟動[6]。SCR 采用單片機通過合適的中間電路產生所需的觸發波形也比較常見[7-8]，此類電路在電壓干擾比較大時，易產生誤導通，需要添加適當的抗干擾措施。SCR 的自驅動電路簡單、成本低，而某些固態繼電器則采用電阻自驅動式觸發[9]。

在施加SCR 觸發脈沖時，往往將觸發脈沖和電源電壓信號進行同步處理，需要合適的過零檢測電路。過零檢測電路比較經典的是用兩個光耦控制器分別檢測電源電壓的過零時刻，進行觸發控制[10-11]。 這種過零檢測方式易受SCR 兩端電壓波動的影響，抗干擾措施不力的情況下，易出現多次觸發情況。采用帶過零檢測模塊的光耦進行過零檢測是一種簡便方案，但電路的過零觸發不夠準確，可能誤動作甚至損壞SCR。若在SCR投切電容器的工作環境出現誤導通，那么會造成沖擊涌流過大，SCR 和電容器將很容易遭受損壞[12]。 這兩種光耦過零檢測電路存在過零誤導通的情況，所以設計電路時須考慮相應的解決方法。 采用比較器檢測電路并通過軟件設計相位補償和零點校正的方法可提高過零檢測的精度[13]，此方案成本稍高，需采用單片機。帶相位補償的高精度過零檢測電路檢測精度好[14]，但是電路復雜，所用芯片比較多，成本高。

國內外目前此類研究各有特色但成本稍高，不利于作為智能家居的民用電器開關進行推廣；而在日益追求生活品質的今天，又因不具備手機遙控功能而顯得智能性不足。 因而研制一款具備可遙控、安全可靠、低成本的智能交流電力電子開關具備極高的科研價值與商業化推廣價值。

1 電路結構與設計

電路框圖如圖1 所示。

1.1 紅外控制電路的設計

紅外控制方式相較于其它控制方式簡單、成本低， 采用無需單片機解碼的簡潔紅外遙控方式。 具體采用將紅外接收頭和解調輸出電路集成的HS0038 芯片，工作頻率為38 kHz，當器件接收到信號時，器件的OUT 端輸出低電平；器件未接收到信號時，器件的OUT 端輸出高電平。

電路采用非門和D 型觸發器組成進行鎖相和翻轉的電路。 為了配合HS0038B 的使用，電路中所用的芯片都是TTL 型的。 非門用的是74LS04，D 型觸發器用的是74LS74。 74LS04 給74LS74 創造與遙控按鍵同步的上升沿，且增強HS0038B 的驅動能力。 74LS74 的作用是實現鎖相和電平翻轉的功能。

圖1 電路結構框圖Fig.1 Structure scheme of the AC power electronic switch

1.2 SCR 主電路的設計

SCR 主電路是由觸發電路和過零檢測電路組成的，設計的SCR 主電路圖如圖2 所示。

電路中的R3 為限流電阻，R1 和R2 為防誤觸發電阻，RL 為負載。 該電路工作原理為：假設ULN 大于0 時， 表示電源在正半周，ULN 小于0時，則表示為電源在負半周；若MOC3083 的LED端輸入信號F 可以驅動LED 導通， 那么MOC3083 的雙向晶閘管輸出端就可以工作，則當電源從負半周向正半周過零進入正半周時，MOC3083 輸出端導通，晶閘管VT2 正偏，電源經D1，MOC3083 輸出端，R3，R2，RL 構成觸發回路，VT2 的G 極電位比K 極電位高， 故VT2 的G 極有觸發電流流過， 當電流增大到一定值時，VT2導通；當電源從正半周向負半周過零進入負半周時，MOC3083 輸出端導通，晶閘管VT1 正偏，電源經D2，MOC3083 輸出端，R3，R1，RL 構成觸發回路，VT1 的G 極電位比K 極電位高，VT1 的門極有觸發電流流過，當電流增大到一定值時，VT1 導通。 整個電路通過調節R3 的值可以調節觸發時間，即移相。

圖2 SCR 主電路圖Fig.2 SCR main circuit

2 計算機仿真

紅外控制電路仿真由美國國家儀器（NI）有限公司推出的以Windows 為基礎的仿真工具Multisim 14。測試點的電壓波形圖如圖3 所示。

圖3 紅外控制仿真波形圖Fig.3 Simulation result of infrared control circuit

當S1 合上，相當于HS0038B 未接收到信號；U1A 的輸入端變為高電平，它的輸出端變為低電平，產生了一個下降沿，U2A 的Q 端保持上一個電平狀態。當S1 斷開，相當于HS0038B 接到信號，U1A 輸入低電平，它的輸出變為高電平，產生了一個上升沿，U2A 的Q 端電平狀態翻轉。 觀察U2A 的輸出端所接的LED 負載工作情況，得知這個電路的工作是符合設計要求的。 從仿真結果看，設計電路合理。

2.1 主電路的仿真

市電輸入，主電路采用英國Lab Center Electronics 公司的Proteus7.8，如圖4 所示。

圖4 主電路仿真電路圖Fig.4 Simulation figure of main circuit

當開關未合上，即MOC3043 的輸入端沒有信號時，負載端的電壓波形如圖5 所示，負載R1 兩端電壓幅值非常小，只有幾百微伏，視為零，說明此時SCR 未導通。

圖5 斷開時負載R1 的電壓波形圖Fig.5 Voltage wave of R1 in off-state

當開關閉合時，MOC3043 的輸出側工作， 負載兩端電壓波形如圖6 所示， 可見負載兩端的電壓幅值為310 V 左右，與電源電壓一致，波形無畸變。

圖6 S1 閉合時R1 的電壓波形圖Fig.6 Voltage wave of R1 in on-state

各仿真結果均驗證了電路的正確性和合理性，搭建實驗臺進行實驗測試。

3 實驗測試

市場有眾多免費智能遙控功能APP，實驗選用了德仕電視模式。實驗采用20 W 的感性負載風扇進行測試。 圖7 為紅外控制接口未接收到信號時的狀態，輔助電源指示燈（藍燈）亮，紅外控制輸出電路指示燈（紅燈）熄滅，電扇的扇葉處于靜止狀態。

按下手機上的紅外遙控按鍵，電路狀態轉換為圖8 所示的狀態，紅外控制輸出電路的指示燈（紅燈）變亮，輔助電源指示燈（藍燈）亮，電扇扇葉正常旋轉。

實驗測試證明智能交流電力電子開關具備手機遙控功能，電路設計是合理有效的。

4 小結

基于SCR 構建的智能交流電力電子開關， 運用互聯網及紅外控制技術通過手機或者電腦上的相關應用程序來實現對開關的遙控控制，提高安全性與便利性，保障人身安全的同時，實現開關電器的人性化和智能化，從計算機仿真與實驗測試來看，智能交流電力電子開關設計合理，功能完備。

智能交流電力電子開關可以替換傳統機械開關，采用手機遙控使用簡便，極大增加操作的便利性，替代傳統開關提高智能性采用過零技術無電磁干擾；不拉弧無火花、安全性高；因而其可廣泛應用于智能家居與工業特別是礦業。 系統電路簡潔可靠、成本低，易于安裝及批量生產。