一種晶閘管自然關(guān)斷點(diǎn)檢測(cè)判斷方法

摘要：串聯(lián)逆變器工作在諧振狀態(tài)時(shí)，極易實(shí)現(xiàn)開(kāi)關(guān)元件的自然關(guān)斷，不僅可以省去開(kāi)關(guān)元件關(guān)斷驅(qū)動(dòng)電路，簡(jiǎn)化逆變器設(shè)計(jì)，同時(shí)開(kāi)關(guān)元件的開(kāi)關(guān)損耗也達(dá)到最小。為了確保半橋串聯(lián)逆變器工作在諧振狀態(tài)，使其開(kāi)關(guān)元件工作在自然換向狀態(tài)，利用過(guò)零點(diǎn)和峰值雙要素檢測(cè)方法判斷逆變電路開(kāi)關(guān)元件是否自然關(guān)斷，進(jìn)而控制開(kāi)關(guān)元件開(kāi)關(guān)的工作點(diǎn)，使逆變電路工作在諧振狀態(tài)。
關(guān)鍵詞：半橋串聯(lián)諧振逆變器；峰值檢測(cè)；過(guò)零點(diǎn)檢測(cè)；諧振頻率

0 引言
與并聯(lián)逆變器相比，串聯(lián)逆變器啟動(dòng)容易，適合于頻繁啟動(dòng)的場(chǎng)合，在中頻感應(yīng)加熱電源中有著廣泛的應(yīng)用。其中，半橋串聯(lián)逆變器僅由上、下兩個(gè)橋臂組成，每個(gè)橋臂有一個(gè)開(kāi)關(guān)元件承受最高電壓，與全橋串聯(lián)逆變器相同，電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，驅(qū)動(dòng)功率小。若半橋串聯(lián)逆變器采用晶閘管為開(kāi)關(guān)元件，通常需采用關(guān)斷電路控制晶閘管的關(guān)斷。然而半橋串聯(lián)逆變器工作在諧振狀態(tài)時(shí)，逆變電流以正弦波形式變化，當(dāng)逆變電流減小到零時(shí)，晶閘管能夠?qū)崿F(xiàn)自然關(guān)斷，不僅省去晶閘管關(guān)斷電路，簡(jiǎn)化了控制電路，開(kāi)關(guān)損耗也達(dá)到最小。
本文研究一種過(guò)零點(diǎn)和峰值的雙要素檢測(cè)方法，對(duì)半橋串聯(lián)諧振逆變電路負(fù)載電流的過(guò)零點(diǎn)和峰值(波峰或波谷)進(jìn)行檢測(cè)，通過(guò)對(duì)電流過(guò)零點(diǎn)的檢測(cè)以及峰值時(shí)間的檢測(cè)來(lái)判斷導(dǎo)通晶閘管是否關(guān)斷，達(dá)到去除過(guò)零點(diǎn)檢測(cè)電路在零點(diǎn)處的波動(dòng)干擾，準(zhǔn)確判斷晶閘管的自然關(guān)斷點(diǎn)時(shí)間的目的。這樣就可以避免導(dǎo)通晶閘管自然關(guān)斷前觸發(fā)導(dǎo)通橋臂另一端的晶閘管，避免了晶閘管的直通現(xiàn)象，使逆變器工作在諧振狀態(tài)。

1 半橋串聯(lián)諧振逆變器工作原理
半橋串聯(lián)諧振逆變電路工作原理如圖1所示。圖中L為逆變器的等效諧振電感，諧振電容C1=C2=C，R為等效電阻。當(dāng)觸發(fā)導(dǎo)通晶閘管SCR1時(shí)，直流電源通過(guò)SCR1、負(fù)載電阻R、諧振電感L對(duì)電容C2充電，同時(shí)C1通過(guò)L，R放電。電容C2上電壓逐漸增加，電流也將逐漸增加，而且是按照一個(gè)衰減正弦波的上升部分增加。當(dāng)C2的充電電壓充電到最大值E后，流過(guò)SCR1的電流逐漸減小為零，SCR1自然關(guān)斷，其等效電路如圖2(a)所示。逆變電流變化趨勢(shì)形成一個(gè)正弦波的正半周，其波形如圖3中iSCR1所示。由于此時(shí)C1的振蕩電壓充電到負(fù)峰值，所以SCR1承受負(fù)壓值，負(fù)壓峰值近似為C1上的負(fù)壓峰值電壓。

在SCR1自然關(guān)斷后，可以觸發(fā)SCR2導(dǎo)通，其電容C1與C2充放電正好相反，工作過(guò)程分析與SCR1導(dǎo)通時(shí)類似，等效電路如圖2(b)所示，逆變電流變化趨勢(shì)形成一個(gè)正弦波的負(fù)半周，其波形如圖3中iSCR2所示。C1與C2交替振蕩的結(jié)果輸出類似正弦波的電壓。

SCR1半橋串聯(lián)諧振逆變回路負(fù)載為欠阻尼狀態(tài)，電路處于諧振狀態(tài)，半橋串聯(lián)諧振逆變回路中晶閘管工作在自然換向狀態(tài)時(shí)的波形圖如圖3所示。在SCR1導(dǎo)通時(shí)，通過(guò)SCR1流向負(fù)載的電流波形為iSCR1，假設(shè)SCR1導(dǎo)通時(shí)負(fù)載電壓為正，隨著C1不斷的放電，電流iSCR1不斷增大，電流iSCR1在最大值時(shí)，由放電回路電流的頻率特性可知，負(fù)載回路工作在諧振頻率f0。C1放電完畢后，在t1時(shí)刻，電流iSCR1為零，SCR1自然關(guān)斷。SCR1自然關(guān)斷后，發(fā)送一個(gè)觸發(fā)脈沖，在t2時(shí)刻導(dǎo)通SCR2，流過(guò)SCR2的電流iSCR2同iSCR1一樣，從零一直減小到負(fù)的最大值，在負(fù)的最大值時(shí)刻負(fù)載回路工作在諧振頻率f0。C2放電結(jié)束后，電流iSCR2減小到零，SCR2在t3時(shí)刻自然關(guān)斷，完成一個(gè)周期。下一周期SCR1在t4時(shí)刻導(dǎo)通，循環(huán)以上過(guò)程。

2 過(guò)零點(diǎn)檢測(cè)和峰值檢測(cè)原理
由半橋串聯(lián)諧振逆變器工作原理可以知道，負(fù)載電流達(dá)到最大值時(shí)，電壓uR達(dá)到峰值時(shí)，此時(shí)負(fù)載回路達(dá)到諧振狀態(tài)。將負(fù)載電流波形信號(hào)通過(guò)電流傳感器轉(zhuǎn)變?yōu)殡妷盒盘?hào)，輸入到過(guò)零點(diǎn)檢測(cè)電路與峰值檢測(cè)電路，檢測(cè)每一個(gè)過(guò)零點(diǎn)和峰值，發(fā)送信號(hào)到微處理器，從而得到每一次達(dá)到峰值和過(guò)零點(diǎn)的時(shí)刻，根據(jù)過(guò)零點(diǎn)時(shí)刻與峰值時(shí)刻的關(guān)系，準(zhǔn)確判斷晶閘管的自然關(guān)斷點(diǎn)，控制晶閘管觸發(fā)脈沖的發(fā)送。

過(guò)零點(diǎn)檢測(cè)電路簡(jiǎn)化原理圖如圖4所示，該電路實(shí)際是一個(gè)倒向放大器，電容C4用作正補(bǔ)償以增加檢測(cè)速度。當(dāng)輸出為負(fù)時(shí)，二極管D5導(dǎo)通，輸出為正時(shí)，穩(wěn)壓二極管D7和二極管D6導(dǎo)通。負(fù)載電流信號(hào)通過(guò)電流傳感器轉(zhuǎn)變?yōu)橐粋€(gè)電壓信號(hào)后，輸入到過(guò)零點(diǎn)檢測(cè)電路，當(dāng)信號(hào)波形在正半周時(shí)，過(guò)零檢測(cè)電路Vo2輸出為高電平，當(dāng)信號(hào)經(jīng)過(guò)零點(diǎn)處于負(fù)半周時(shí)，Vo2輸出為低電平。在負(fù)載電流過(guò)零點(diǎn)處，Vo2的電平發(fā)生跳變，當(dāng)負(fù)載電流波形由正到負(fù)經(jīng)過(guò)零點(diǎn)時(shí)，Vo2輸出變化是一個(gè)負(fù)跳變脈沖，當(dāng)負(fù)載電流由負(fù)到正經(jīng)過(guò)零點(diǎn)時(shí)，Vo2輸出變化是一個(gè)正跳變脈沖。

峰值檢測(cè)電路原理圖如圖5所示，它由兩個(gè)運(yùn)算放大器和兩個(gè)晶體管構(gòu)成。運(yùn)算放大器U1A用來(lái)比較輸入和輸出信號(hào)，如果輸入信號(hào)Vi大于輸出信號(hào)Vo1，電容C3通過(guò)晶體管Q2通路充電，只有當(dāng)輸出信號(hào)和輸入信號(hào)相等時(shí)充電才會(huì)停止，并且保持這個(gè)值。開(kāi)關(guān)S是一個(gè)復(fù)位開(kāi)關(guān)，當(dāng)S接通Q2的發(fā)射極時(shí)，電路跟蹤檢測(cè)到波峰值；當(dāng)S接通Q1的發(fā)射極時(shí)，電路跟蹤檢測(cè)到波谷值。
峰值檢測(cè)電路中開(kāi)關(guān)S有一個(gè)開(kāi)關(guān)控制電路，由組合邏輯電路構(gòu)成。當(dāng)Vo1輸出波峰信號(hào)時(shí)，開(kāi)關(guān)控制電路接收到高電平信號(hào)，控制開(kāi)關(guān)接通波谷檢測(cè)端；當(dāng)Vo1輸出波谷信號(hào)時(shí)，開(kāi)關(guān)控制電路接收到低電平信號(hào)，控制開(kāi)關(guān)接通波峰檢測(cè)端。采用這種開(kāi)關(guān)控制方式可以減少信號(hào)的延遲時(shí)間，快速實(shí)現(xiàn)波峰與波谷檢測(cè)的切換。過(guò)零點(diǎn)檢測(cè)電路與峰值檢測(cè)電路輸出脈沖信號(hào)圖如圖6所示，啟動(dòng)過(guò)零點(diǎn)檢測(cè)電路與峰值檢測(cè)電路時(shí)，發(fā)送一個(gè)信號(hào)到微控制器，計(jì)時(shí)器開(kāi)始計(jì)時(shí)，此時(shí)過(guò)零點(diǎn)時(shí)間tp=0，負(fù)載電流由零逐漸增大，當(dāng)檢測(cè)到波峰值時(shí)，Vo1輸出信號(hào)為正的寬脈沖，在脈沖上升沿讀取微控制器計(jì)時(shí)器的值tmax，tmax-tp=T／4，其中T為周期。過(guò)零點(diǎn)檢測(cè)電路檢測(cè)負(fù)載電流過(guò)零點(diǎn)，Vo2輸出為負(fù)的窄脈沖，此時(shí)讀計(jì)時(shí)器得到一個(gè)過(guò)零點(diǎn)時(shí)間tn，若tn-tmax≥tmax-tp，則說(shuō)明負(fù)載電流經(jīng)過(guò)零點(diǎn)，晶閘管SCR1已經(jīng)自然關(guān)斷，微控制器可以發(fā)送晶閘管觸發(fā)脈沖，觸發(fā)另一只晶閘管導(dǎo)通。

峰值檢測(cè)電路檢測(cè)到波谷值時(shí)，Vo1輸出信號(hào)為負(fù)的寬脈沖，在脈沖下降沿時(shí)讀取微控制器計(jì)時(shí)器的值tmin，同樣tmin-tn=T／4，過(guò)零點(diǎn)檢測(cè)電路檢測(cè)負(fù)載電流過(guò)零點(diǎn)，Vo2輸出為負(fù)的窄脈沖，此時(shí)讀計(jì)時(shí)器得到一個(gè)過(guò)零點(diǎn)時(shí)間tp，若tp-tmin≥tmin-tn，則說(shuō)明負(fù)載電流經(jīng)過(guò)零點(diǎn)，晶閘管SCR2已經(jīng)自然關(guān)斷。利用峰值檢測(cè)與過(guò)零點(diǎn)檢測(cè)兩個(gè)重要因素判斷晶閘管的自然關(guān)斷時(shí)間點(diǎn)，兩只晶閘管輪流導(dǎo)通，工作在自然換向狀態(tài)，使開(kāi)關(guān)損耗減小為零。

3 判斷晶閘管自然關(guān)斷時(shí)間點(diǎn)實(shí)驗(yàn)結(jié)果
對(duì)電流過(guò)零點(diǎn)檢測(cè)與峰值檢測(cè)的雙要素檢測(cè)方法進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)，得出其結(jié)果如圖7所示。

從圖7(a)可以看出，負(fù)載電流波形為正時(shí)，過(guò)零點(diǎn)檢測(cè)電路的輸出Vo2為高電平，負(fù)載電流波形為負(fù)時(shí)，過(guò)零點(diǎn)檢測(cè)電路的輸出Vo2為低電平。負(fù)載電流由正變負(fù)時(shí)，Vo2輸出產(chǎn)生一個(gè)正向脈沖；負(fù)載電流由負(fù)變正時(shí)，Vo2輸出產(chǎn)生一個(gè)負(fù)脈沖。
從圖7(b)可以看出，峰值檢測(cè)電路首先對(duì)波峰值進(jìn)行跟蹤檢測(cè)，檢測(cè)到輸入信號(hào)的波峰值后，邏輯組合電路得到一個(gè)高電平信號(hào)，控制開(kāi)關(guān)S接通波谷值檢測(cè)端，峰值檢測(cè)電路開(kāi)始對(duì)波谷值進(jìn)行跟蹤檢測(cè)，檢測(cè)到波谷值后，邏輯組合電路得到一個(gè)低電平信號(hào)，控制開(kāi)關(guān)S接通波峰值檢測(cè)端。邏輯組合電路在檢測(cè)到峰值后，在下一個(gè)峰值到達(dá)之前實(shí)現(xiàn)對(duì)開(kāi)關(guān)S的控制，使峰值檢測(cè)電路可以檢測(cè)到下一個(gè)峰值。
過(guò)零點(diǎn)與峰值檢測(cè)方法根據(jù)檢測(cè)到過(guò)零點(diǎn)與峰值時(shí)間點(diǎn)的關(guān)系，準(zhǔn)確判斷晶閘管自然關(guān)斷點(diǎn)，從而使晶閘管輪流導(dǎo)通的頻率隨著負(fù)載諧振頻率的變化而變化，使晶閘管工作在自然換向狀態(tài)，在實(shí)際電路中證明了該方法檢測(cè)效果較好。

4 結(jié)語(yǔ)
過(guò)零點(diǎn)檢測(cè)電路在檢測(cè)過(guò)零點(diǎn)時(shí)，由于關(guān)斷延時(shí)時(shí)間的限制，在晶閘管未徹底關(guān)斷時(shí)，容易產(chǎn)生誤差信號(hào)，過(guò)零點(diǎn)檢測(cè)此時(shí)不穩(wěn)定。為防止晶閘管提前觸發(fā)，采用峰值檢測(cè)電路輔助檢測(cè)，根據(jù)零點(diǎn)與峰值兩個(gè)重要因素的時(shí)間點(diǎn)關(guān)系，去除過(guò)零點(diǎn)檢測(cè)電路在過(guò)零點(diǎn)處的干擾，準(zhǔn)確判斷出品閘管的自然管斷點(diǎn)，從而確保半橋串聯(lián)諧振逆變器中晶閘管工作在自然換向狀態(tài)，防止發(fā)生直通現(xiàn)象。這種晶閘管自然管斷點(diǎn)的判斷方法也可以拓展到全橋串聯(lián)以及并聯(lián)逆變電路中，在感應(yīng)加熱電源的應(yīng)用領(lǐng)域具有重要的意義。