基于電流過零檢測的新型交流穩壓電源設計

劉立平，車一鳴，趙 志，崔鳳來

(1.保定電力職業技術學院，河北 保定 071051；2.石家莊銀河互感器有限公司，河北 石家莊 050011)

0 引言

電力電子器件晶閘管具有電流過零關斷的特性，隨著電力電子的發展，晶閘管等典型開關元件可作為自動調壓的關鍵切換器件[1-3]，但在實際應用中存在著電源啟動時觸發不穩定、電壓過零觸發電路過流、反峰甚至觸發失敗而產生半波整流現象的危害[4-6]。尤其在感性或容性負載時，由于電壓過零時，晶閘管流過的電流滯后或超前于電壓，晶閘管不能可靠關斷，容易出現“單向半波整流”現象。同時，由于晶閘管電流不可突變，在觸發時不可避免地產生沖擊電壓，對晶閘管要求也提出了很高的要求[7]。目前，為解決感性或容性負載下晶閘管的觸發，常用一種在電流過零點時對晶閘管進行觸發導通和關斷的控制方法[8-10]。

為解決晶閘管交流開關在感性或容性負載時，采用電流過零觸發方式存在的不足，從基于電流過零點的自動檢測和跟蹤角度入手，提出了一種新型的晶閘管電流過零自動跟蹤檢測及控制電路，并基于此設計了一種新型交流穩壓電源[11]。

1 新型電流過零自動跟蹤檢測電路

新型電流過零自動跟蹤檢測電路如圖1所示，電路采用晶閘管并聯的方式，當晶閘管導通時，檢測電路中光耦輸入信號為低電平，光耦輸出即過零信號輸出端為高電平，而當晶閘管電流小于維持電流而關斷瞬間，晶閘管兩端電壓突變為高電壓，光耦輸入信號跳變為高電平，過零信號輸出端則跳變為低電平,從而實現電流過零點自動跟蹤。同理，在晶閘管關斷時，若交流電壓過零瞬間，過零信號輸出端輸出高電平，過零后，過零檢測電路輸出低電平，從而也能實現電壓過零點自動跟蹤。

圖1 電流過零自動跟蹤檢測電路

在220 V交流電壓情況下，假設橋式整流電路中二極管導通壓降為0.7 V，則電流過零自動跟蹤檢測電路電角度最大在3°以下，而晶閘管本身由通態到關斷時間由管子自身參數決定，一般為200～300 μs，折合電角度為4～5°[12]。在實用電路設計中，為了保證電路工作可靠性，設計過零檢測輸出信號延遲為最大500 μs(電角度9°)的過零信號輸出，保證晶閘管能可靠關斷。從而解決了在晶閘管電流過零觸發控制中，任何同步觸發信號丟失造成的同步點不穩及同步干擾、同步抖動等問題，防止了晶閘管在導通相位轉換，晶閘管和晶閘管之間交接轉換時，對晶閘管可能產生的過流沖擊、短路燒毀或過壓反峰擊穿等帶來的顛覆甚至燒毀情況發生[13]。電路同步可靠性強，工作穩定，電路簡單，經濟性好。

2 基于電流過零自動跟蹤檢測的交流穩壓電源

2.1 交流穩壓電源關鍵電路設計

基于電流過零自動跟蹤檢測的交流穩壓電源原理如圖2所示。其主電路為一個多抽頭自耦變壓器，自耦變壓器設置有8個抽頭，分別對應170～240 V之間的每10 V遞增的電壓等級；其輸出端固定，輸入端通過8組反并聯晶閘管或雙向晶閘管與輸入電壓相聯。核心控制電路包含8個自動跟蹤電流/電壓過零檢測電路、8路單穩態觸發器構成的觸發電路、高精度交流有效值實時采樣檢測電路與通道給定電路、電流過零選通電路，以及過零觸發互鎖等邏輯處理電路。此外還包含控制電路直流電源、電流采樣與檢測，以及過流保護等電路。本電路完全采用模擬與數字電路器件，無單片機處理器，具有響應速度快，抗干擾能力強的特點。

圖2 基于電流過零自動跟蹤檢測的交流穩壓電源原理

其中，CY1～CY8為8個如圖1所示的自動跟蹤電流過零檢測電路，它是本電路檢測與控制的核心電路。

2.2 交流穩壓電源工作原理

交流電壓有效值采樣電路進行交流有效值檢測，實時檢測單相交流工作電壓，并獲得8選1通道給定信號。

通電瞬間，沒有負載電流，初始觸發脈沖應當在電壓過零時觸發可控硅，這就避免了在市電周期的任意點處的啟動[13]。此時電路中晶閘管皆處于未觸發導通狀態，自動跟蹤電流過零檢測電路檢測輸入電壓過零點，當輸入交流電壓過零時，8路自動跟蹤電流過零檢測電路同時產生8個低電平信號，提供給電流過零選通電路，與交流有效值的通道給定信號進行通道給定邏輯判斷后，輸出8選1通道給定信號至電流過零選通電路，與8路電流過零信號進行邏輯判斷，提供給過零觸發互鎖電路，選擇輸出8選1信號提供給8個觸發電路之一，觸發正確的晶閘管導通。

假設當前輸入電壓在215～225 V之間，則SCR6#晶閘管被觸發導通。其導通瞬間，其對應的自動跟蹤電流過零檢測電路瞬間產生高電平信號給過零觸發互鎖電路，以防止其他晶閘管誤觸發。這時晶閘管SCR6#處于導通工作狀態，其他7個晶閘管處于被封鎖狀態。此時輸出電壓在215～225 V之間。

SCR6#晶閘管導通后，觸發信號消失。在交流電流過零時，該晶閘管自然關斷，此時自動跟蹤電流過零檢測電路CY6輸出低電平信號，解除過零觸發互鎖電路對其他晶閘管觸發電路的封鎖，8個晶閘管等待觸發。

若輸入交流電壓仍在215～225 V 之間，通道給定6#信號有效，通過電流過零選通電路進行邏輯判斷后仍為6#有效，通過過零觸發互鎖電路繼續保持8選1信號提供給觸發6電路，再次觸發SCR6#晶閘管使之繼續導通，保證輸出電流連續，同時其他7個晶閘管仍處于被封鎖狀態。

若輸入電壓降為205～215 V之間，通道給定5#信號有效，處于準備狀態，待到SCR6#晶閘管在交流電流過零自然關斷時，由于此時過零觸發互鎖電路已解除封鎖，通過此時過零觸發互鎖電路已解除封鎖，通過電流過零選通電路進行邏輯判斷后5#輸出有效，通過過零觸發互鎖電路再次產生8選1信號提供給觸發5電路，從而觸發SCR5#晶閘管使之導通，同時其他7個晶閘管被封鎖，保證輸出電壓仍在215～225 V之間，從而實現交流穩壓。

同理，其他晶閘管觸發工作與封鎖情況同上，其對應輸入電壓如表1所示。

表1 不同輸入電壓下晶閘管觸發與封鎖狀態

電流采樣和過流檢測電路可快速實時監測輸出電流，當發生過流時，產生聲光報警信號，同時斷開總電源，問題解除后，可按下報警解除按鈕解除報警，同時電源恢復工作。

該新型穩壓電源采用間隔10 V電壓8組抽頭結構，輸出電壓偏差范圍為±5 V，理論上具有小于±2.2%的穩定度。

為保證電路穩定工作的可靠性，設計最大500 μs(電角度9°)的確認前路晶閘管電流過零關斷確認時間[14-15]，在觸發某路晶閘管導通，使輸出電壓達到所需要的電壓值后又封鎖其他路的可控硅不能夠再打開。這種由連鎖電流過零觸發的電路制作的自耦抽頭式交流調壓電路，不受外界電壓電流的干擾，自身等到電流過零時再進行轉換的工作方式，晶閘管轉換時不產生尖峰電流沖擊，不出現誤觸發，不承受電流沖擊時的過電壓，且由于晶閘管工作在極其安全的工作狀態下，所以不產生附加干擾源影響其他電子設備和造成電子污染。

3 新型穩壓電源樣機測試數據與分析

設計制作2 kV·A交流穩壓電源樣機，并對其進行了測試。測試數據如表2和表3所示，典型工作波形如圖3～圖8所示。

表2 阻性負載(負載功率1.5 kW)

表3 感性負載(電阻100 Ω，電感200 mH)

圖3為在輸入電壓210 V情況下，開機瞬間SCR5#晶閘管電壓和穩壓電源輸出電流波形。由圖3可知，前半段晶閘管關斷，在交流電壓過零后，晶閘管觸發導通，輸出電流波形完整。

如圖4所示，在輸入電壓210 V調整到大于215 V瞬間， SCR5#晶閘管在電流過零時關斷，SCR6#晶閘管導通。此時，上面的輸出電流波形幾乎無畸變，依然完整，下面的SCR5#晶閘管電壓波形中，可以看到僅有一個90 V左右的關斷過電壓，關斷后，僅承受有效值為10 V左右的交流電壓。

阻性負載SCR5#在關斷情況下其兩端電壓與輸出電流的波形如圖5所示。可以看出，輸出電流波形完整無明顯畸變，僅在其晶閘管觸發工作時，其兩端電壓有微小尖峰。

圖3 210 V情況下開機啟動波形

圖4 SCR5#關斷SCR6#導通

圖5 阻性負載工作波形

圖6 換流時的觸發延遲

圖7 感性負載工作波形

圖8 容性負載工作波形

SCR5#關斷瞬間，換管觸發工作時，觸發信號延遲480 μs，輸出電流在過零時間斷的波形如圖6所示。

感性負載在晶閘管SCR4#工作、SCR4#關斷情況下，SCR4#兩端電壓與輸出電流的波形如圖7所示。滯后曲線為輸出電流。可以看出，電流滯后電壓近似30°左右，輸出電流波形連續完整。圖7中可見，電流過零時，晶閘管上電壓的觸發導通時的轉換跳動痕跡。

圖8為容性負載在晶閘管SCR4#切換到SCR5#工作時，SCR4#兩端電壓與輸出電流的波形。可以看出，電流超前電壓電流波形連續。

從測試數據和工作波形上可以看出，穩壓電源工作穩定，晶閘管切換導通時間短，輸出電壓誤差小。輸出電流連續、波形無明顯畸變，同時，晶閘管關斷過電壓小。

4 基于電流過零自動跟蹤檢測的交流穩壓電源特點

基于電流過零自動跟蹤檢測的交流穩壓電源的特點如下所述。

a.電路采用模塊化結構設計，以8個自動跟蹤電流過零檢測電路為核心檢測技術，正常工作時通過其檢測電流過零信號。采樣電路進行交流有效值檢測，實時監測單相交流工作電壓，并將獲得8選1通道給定信號，在電流過零選通電路中，與晶閘管電流過零信號進行邏輯處理，通過純數字電路構成的電流過零選通電路和過零觸發互鎖等邏輯處理電路，以及晶閘管觸發電路，控制相關晶閘管的導通與封鎖，通過改變自耦變壓器變比，達到一次側輸出交流電壓的補償。

b.在電源通電瞬間，晶閘管最大承受240 V有效值電壓，對應晶閘管在輸入電壓過零點觸發工作；而在正常工作時，各晶閘管承受電壓皆為10～80 V之間，對應晶閘管在輸出電流過零點后觸發工作。由于采用雙向晶閘管或反并聯晶閘管電流準過零(觸發延遲)觸發方式，器件承受的沖擊電流和電壓很低，器件工作壽命長。

c.核心控制電路為純數字電路的邏輯控制方式，整體無單片機芯片，無需編程，響應速度快，調試簡單，使用方便。由于采用邏輯互鎖方式，有效地防止了誤觸發，電源安全可靠工作。

d.電路包含有控制電路直流電源、電流采樣與檢測和過流保護等電路，具有輸出過流采樣與檢測功能，輸出過流后能夠聲光報警并切斷輸入電源。

5 結束語

采用模塊化設計，以新型電流過零檢測與觸發技術為核心，通過交流電壓有效值采樣電路進行交流有效值檢測，實時監測單相交流工作電壓，采用電流過零選通電路和過零觸發互鎖電路有效地防止了晶閘管誤觸發導通，保證電源安全可靠工作。基于電流過零自動跟蹤檢測的交流穩壓電源響應速度快，工作電流無畸變，輸出電壓波形好，工作穩定，可靠性高，有效解決了因電網供電質量較差給用戶帶來的危害，為用戶提供可靠且穩定的電力供應，具有很高的實用價值和技術推廣價值。