电力电子器件的实际应用及技术开发.ppt

1、6.1小功率电子器件的应用，6.1.1小功率白炽灯调光电路小功率白炽灯调光电路通常采用由普通晶闸管、双向晶闸管和触发二极管组成的交流调压电路，电路负载为普通白炽灯。 调光电路的工作原理可通过图6-1(a )进行说明。 图6-1a三端双向可控硅小功率白炽灯泡调光电路、6.1.2固体交流开关固体交流开关为无触点开关单元，一般采用三端双向可控硅作为负载电流控制开关。 根据控制容量，也称为固态继电器(SSR )和固态接触器(SSC )。 固体交流开关有非零压开关和零压开关，典型的电路分别如图6-2、图6-3所示。 在图6-2非零电压型开关、图6-3所示的零电压固体交流开关中，当控制输入电压VIN比一定

2、的振幅大时，4N25的光电晶体管导通，强制地使V1截止，从R5供给触发电流，通常晶闸管VT1有可能导通。 但是，VT1的on也取决于V2是否关闭。 V2的切断由R3、R4的分压决定，适当选择R3、R4的电阻值，在交流电压波形接近零交叉点时切断V2，在其稳定时导通，由此VT1、VT2在交流电压的零交叉点被触发，构成零压固体交流开关。 图6-3零压型开关、6.1.3小功率电子器件的技术开发2线式小功率晶闸管电子开关广泛应用于各种照明装置的控制。 该电路的特点是以电阻降压形式给触发电路供电。 因而，为了确保控制电路的正常操作，低功耗会存在于电阻元件上，而不管电子开关是否接通，特别是对于大容量电子开关

3、，该缺点是显着的。 图6-4提供双线式节能电子开关，其特征是利用双向晶闸管VT1的漏电流、关断状态指示电路和双向晶闸管的多象限触发的特征实现微功耗供电，提供最大触发功率，保持最小静态功耗。 图6-4线式节能电子开关、2线式节能电子开关的核心是双向晶闸管VT1，通过VT1的导通、截止能够实现负载的开关控制，VT1的触发能量由蓄电容量供给。 关于电路的动作原理，节能电子开关断开时，通过指示电路R1、LED及VT1的漏电流对蓄电容C1充电，此时，若控制电路输出触发信号，则控制晶体管V1导通，蓄电容C1通过VT1的触发PN结、限流电阻R2及控制晶体管V1 如果C1中储存的能量足够大，能够维持电流流动的

4、时间大于VT1的触发时间，则能够保证VT1的可靠触发。 电子开关接通时，C1的充电由主回路电流直接供给，其供电能力不受限制。 另外，并联连接在C1的两端的齐纳二极管V3主要用于电压限制，并且V3的两端的电压也可以用于向控制电路供给动作电源v。 电路中的二极管VD1、VD2对C1发挥单向充电作用，对主电路保证交流导通。图6-5线式电力扩展电子节能开关、6.2电力电子器件的综合应用、图6-6中频感应加热电源主电路原理概略图、6.2.1整流触发动作原理中频感应加热电源通常使用数字整流触发电路。 其结构的特征是，将计数电路的计数脉冲的溢出作为触发信号，通过改变计数脉冲的频率来进行触发信号的相移。 数字

5、整流触发电路的基本工作原理如图6-7所示。 图6-7是整流触发电路的原理方框图，1 .同步信号发生电路同步信号发生电路如图6-8所示，该电路由同步过零检测和逻辑输出电路两部分构成。 同步过零检测电路以隔离光耦合O1O6为核由相间限流电阻和平衡电容构成。 所述逻辑输出电路主要包括非门IC2BIC2D、IC7BIC7D和IC11BIC11D。图6-8同步信号发生电路、同步信号发生电路的工作原理是，当两相输入电压相等时，具有2个光耦合的发光二极管同时关断，检测过零信号。 零交叉信号起作用期间，与2个光耦合对应的输出晶体管截止，从集电极输出高电平。 高电平信号被传送到逻辑输出电路，经由分别与输入端子并

6、联连接的nor门IC2C、IC2D、IC7C、IC7D、IC11C、C11D输出低电平信号，两个系统的低电平信号同时与下一级的nor门的输入端子相加， 由于强制性地输出的过零点仅能够持续短时间，所以本阶段的输出实际上为正向脉冲，所以能够将该正向脉冲作为脉冲产生计数器的复位信号(即脉冲计数器的起点)。 此外，当在两相输入电压之间存在电压差时，在两相间相反连接的光耦合发光二极管中的一个导通，与光耦合对应的输出晶体管输出低电平。 该低电平经由与下一级输入端并联的nor门IC2B、IC7B、IC11B以高电平输出，作为频道许可开放信号用于脉冲频道选择控制。 2 .脉冲发生计数器电路脉冲发生计数器电路如

7、图6-9所示，电路由可编程计数器IC3、IC8、IC12构成。 图6-9脉冲发生计数电路，图中，输入信号是来自V/F电路的频率可变的脉冲信号。 该信号作为可编程计数脉冲，经由IN1侧输入可编程计数器。 起始计数控制信号从从同步信号生成电路的输出端子“nor门”送来的复位脉冲开始，有效计数延迟在复位脉冲之后开始，在计数过后输出整流晶闸管的导通角控制信号。 图中的可编程计数器选择CD4536芯片，计数溢出的设定通过芯片的a、b、c、d及8 BYP端子的高低电平组合来实现，设定方法请参照表6-1。 从参考电路图a中的接线方式可以看出，与DCBA相对应的高低电平的组合为“1000”，其分频链解码级数在

8、9、即二进制的第九位上溢出，或者在满足256个脉冲之后溢出。 此外，考虑到在装置发生故障时可以及时切断触发脉冲进行保护，控制电路将所有故障汇总后，将故障切断信号加到各电路的可编程计数器的OINH侧，在发生故障时切断输出。表6-1 CD4536解码输出选择表、3 .脉冲信道选择和整形放大电路图6-10显示了两个系统的脉冲信道选择和整形电路，完整的电路共有6个系统(参照电路图)。 其中的脉冲电路选择部分由NE556时基电路IC1A、IC1B、IC6A、IC6B、IC10A、IC10B及nor门电路IC2A、IC7A、IC11A构成。 脉冲整形放大电路由驱动晶体管V1V6和脉冲触发晶体管T1T6构成

9、，考虑到与不同的触发功率的对应，采用最大功率驱动晶体管，型号为TIP41C。 在图6-10二路脉冲信道选择和整形放大电路、图6-11整形放大电路输出触发信号波形、4. V/F频率转换电路中频感应加热装置中，整流输出电压的大小由调节装置面板上的调功电位器完成，调功电位器的中心可动端的电压分压值的变化在整流桥中在数字整流触发电路中，变更导通相位角的方法是变更进入脉冲计数器的信号频率。 因此，需要在输入调整电压和脉冲计数器之间进行信号形式的转换，该转换处理由V/F频率转换电路进行。 电压频率转换电路有各种形式，电路图中使用由1/2 NE556时间轴电路、PNP晶体管及附属部件构成的压控振荡电路。 其

10、电路原理如图6-12所示。 图6-13表示图6-12 V/F频率变换电路、6.2.2逆变换控制电路的工作原理逆变换控制电路的原理图。 该电路包括诸如CD4046锁相环IC23、LM324四分之一运算放大器IC21A至IC21D、LM339四分之一比较器IC21B至IC21D、CD4066四分之一模拟开关IC21A、IC21B、IC21D等的元件。、图6-13逆变器控制电路原理图、逆变器控制电路的功能相当于一个扫频信号发生器电路，当扫频信号与逆变器谐振信道(参照图6-6LC谐振电路)的振荡频率一致时，实现信号相位的同步锁定，跟随谐振信道的频率变化。 其工作原理如下：倒相控制电路的核心是锁相环电路

11、CD4046，其内部结构如图6-14所示，主要由相位比较器、相位比较器、压控振荡器VCO以及源极跟随器构成。 在逆变流控制电路中，将其中的电压控制振荡器作为扫描信号发生源，将相位比较器用于中频电压反馈信号与扫描信号的相位同步比较。 此外，图6-14 CD4046锁相环芯片内部结构，1、扫描电压发生器中扫描电压的产生从输出IC19C和包括C59、RW6和D68的积分电路开始。 放电IC19C的反相端子连接在电容器RW6的可动端子，因此当控制电路的电源接通时，首先在RW6的可动端子出现大于0的分压，相当于向积分电路的输入端子输入电压阶梯信号，其输出电压从高向低按照积分规则发生变化。 在开关二极管D

12、68的阳极端子电位比阴极端子电位高的期间，经由D68输出正方向脉冲信号，脉冲高电平的持续时间由积分电路的积分时间常数决定。 此外，扫描电压发生器的核心电路由输出IC19B和元件(例如，R118、R119、R122、R123和C53 )构成，并且其功能与扫描电压发生器相当，并且具有比例积分(PI )的输出特性。 电路利用IC19C输出的高电平脉冲，在输出端也产生先成为高电平后以低积分规则变化的电压。 与上述电路不同，由于C53的电容大，所以电压下降速度缓慢，线性良好，下降电压持续时间在输入高电平脉冲的下降沿结束。 同时，根据输入信号的反极性的变化，IC19B的输出端子电压的极性也反转而上升，输出

13、IC19C的非反相输入端子的电位上升，一次扫描结束。 扫描电压产生电路的输出被施加到IC23锁相环芯片的9引脚VCOIN端子，具有从高向低线性变化的倾向，IC23的4引脚VOUT端子输出从高向低变化的频率信号。 另外，频率锁定部的频率锁定电路包括IC23锁相环芯片、模拟切换开关IC21A、IC21B、IC21D、比较器IC22BIC22D、中频变压器T7及相关元件。 当从IC23锁相环芯片的四引脚VOUT端子输出的扫描信号起动逆变器桥晶闸管时，中频负载谐振信道得到交变信号，如果该信号与信道固有谐振频率一致，则进行谐振而得到最大电压振幅。 在中频谐振通道中产生的交变电压通过中频降压变压器T7的一

14、次边在副边感应，感应信号被二极管VD101、VD102限制，被电阻R138、电容器C72、C74过滤，被比较器IC22B的输入比较器IC22B的输出是同相环芯片IC23的14管脚AIN侧的反馈输入信号，若获得反馈信号，则同相环追踪锁定状态，其内部相位比较器在2管脚PCI侧产生输出电压。 该输出电压切换模拟开关IC21A、IC21B、IC21D的状态，成为自动闭环相位调整状态。 同时，扫描操作结束。 该变换的结果，锁相环内部的电压控制振荡器VCO的振荡频率被锁定为反馈信号，相位稍微超前，所以有中间频率的振荡频率稳定的倾向。 3 .启动检测部启动检测部包括启动成功检测电路和启动失败检测电路。 起动

15、成功检测电路由运算放大器IC19A、电阻R121、R117、R116及起动指示发光二极管DPP等元件构成，当频率锁定成功时，模拟开关IC21A、IC21B接通和IC21D断开，IC19A的反相输入端的电位降低并输出启动成功的标志是对发光二极管DPP指示发光停止，并从R117、R116的分压点输出约2/3VCC的高电平，作为允许规定的功率调整的控制信号。 起动失败检测电路由出厂IC19D、电阻R124、R115及电源指示发光二极管Dpw等元件构成。其中，电源指示发光二极管Dpw也是扫动输出电路IC19B和起动成功检测电路IC19A的偏置电路的一部分，向IC19D的非反相输入端子供给约1.5 V左

16、右的基准电位，并且兼具电源指示的作用。 在扫动相位同步失败、即由于扫动电压从高向低的变化而最终无法检测出中频反馈信号时，IC19D的反相输入端的电位变得比同相输入端的电位低，IC19D的输出变高而成为启动失败信号，通过进行IC9A的控制来进行规定的功率调节的控制4 .如果在扫描电路的控制下一次启动不成功，则自动重复启动电路执行相位同步扫描电路的自动重复启动，并且再次从最高频率向下扫描直到启动成功为止。 反复启动的周期约为0.5 s左右，从一次启动完成到全功率运行完成的时间为1 s以下。 如图6-15所示，自动重复启动电路由时间轴电路IC9A、二极管VD40、VD41、电容器C24、C22、C4

17、3和R42构成。 其中，时间轴电路是该部分的核心，采用NE556芯片。 该电路的动作原理通常在没有启动失败时，IC9A的q端子成为高电平，通过二极管VD41、电容器C22充电，其左端的电位变高，最终通过二极管VD40被限制为接近VCC的电压。 因为C22的左端与IC9A的TR脚直接连接，所以显然TR脚的电位比1/3的VCC高。 在上述条件下发生来自IC9d的启动失败信号时，将向IC9A的THR端子发送信号，定时电路触发反转，IC9A的DIS端子导通，q输出变为低电平。 根据上面的结果，不能使预定的功率调节信号短路来继续启动，并且q端子输出低电平，C22在R42放电，在变换到定时电路的原始状态后

18、再次允许扫描启动，直到IC9A的TR端子低于1/3的VCC 、图6-15自动重复启动电路、6.2.3闭环控制调节器的工作原理1 .电压闭环调节部电压闭环调节部位于双闭环调节系统的外圈，比例积分调节器、输出信号钳位限制电路、电压闭环调节部这里，电压调节器的电路原理如图6-16所示。 图6-16中频电压调节器，1 )比例积分调节器比例积分调节器是该部分的电路的核心，电路是IC13A1/4四运算放大器LM324、二极管D45、电阻R37、R52、R61、R62、R135、电容C32中的调节器中频电压反馈信号(取入到电路图中W1 )经由电阻R37、R52施加到输出IC13A的反相输入端子，作为反馈检测信号。 连接至两个输入端子的电容器C32、C37与R37、R61组合产生解耦或滤波器作用，并且二极管VD45可以用于限幅钳制中频反馈信号。 在不考虑信号的输入内阻的情况下，电路中的PI调节特性的比例常