无环流交交变频器的零电流检测电路

2015-01-04许正望

船电技术 2015年7期

熊凯，许正望

（1.武汉加多宝饮料有限公司，武汉430056; 2.湖北工业大学电气与电子工程学院，武汉430068）

0 引言

在变频器领域，利用以IGBT为代表的全控器件为核心构成的产品具有功率因素高、谐波少等优点，但也存在着器件价格高且比较娇气的缺点，以传统晶闸管为核心构成的产品则正好与之相反，尤其在国内完全掌握晶闸管制造技术的情况下，以晶闸管构成的变频器在某些场合具有优势。

以晶闸管构成的交交变频器以交流到交流的直接变频、无须中间电容等特点得到较广泛的应用，而交交变频中无环流控制方式又以无须高成本的环流电抗器而得到较多应用。在无环流控制中，输出正半波的P组整流桥和输出负半波的N组整流桥之间的切换要求非常高，一方面要求工作组所有晶闸管全部关断之后才能让等待组投入工作，否则会发生电源直通的短路事故；另一方面要求关断工作组与开通等待组之间的时间尽量短，以减小死区时间，改善输出波形，减少谐波；这两个方面是互相矛盾的，必须要准确检测到输出电流减小到零才能在这两个方面中获得一些平衡[1]。

1 传统零电流检测电路分析

对于电流过零检测，由于交交变频器在工作过程中产生的谐波较多，如果直接检测电流难以准确检测到真正的电流过零点，一般采用的方法是检测晶闸管上的反压降，由于电流不为零时一定有晶闸管导通，其两端电压降很小，而电流为零则晶闸管承受正的或负的电压较大，通过检测管压降可以确定电流是否为零。检测一对晶闸管压降的电路一般如图1所示[1,3]。

图1 基本零电流检测电路

其中稳压二极管 DW 提供一个导通的门槛压降，以防止小幅度干扰影响输出[4]。电阻R1、R2串在回路中，以限制电流。在这个电路中，电阻的阻值R=R1+R2很难选择：如果R取值小，则晶闸管上的压降增加到一个比较小的值，就可以在光耦输入端产生较大的电流，光耦输出端就可以有高低电平的变化，检测灵敏性比较好，对过零点检测比较准确，但R上的功耗会很大；如果R取值大，则需要晶闸管上的压降增加到一个比较大的值，检测电路才可以检测到，检测灵敏性比较差，对过零点检测不够准确，但好处是R上的功耗会比较小。

上述R取值对功耗和过零点检测精度的影响可用一个典型数据具体计算，当2只晶闸管均关断时其上承受交流线电压，假设其有效值为380 V，整流桥和稳压二极管压降总共为10V，而光耦输入端的LED工作电流以10 mA为分界，当输入电流小于10mA时，输出端三极管截止，输出端L为低电平，当输入电流大于10 mA时，三极管导通，输出端L为高电平。取2个不同的R值分别计算如下：

1）当 R=100 Ω 时

由于100Ω*10 mA=10 V，当晶闸管两端电压只要超过R与DW上的压降（忽略光耦输入端压降），即10+10=20 V时，则检测电路输出端L为高电平，否则为低电平，因此电路对晶闸管上的电压比较敏感，可以比较灵敏地检测电流的过零；但另一方面，若晶闸管一直关闭，则电阻R上消耗的功率P=U2/R=3802/100=1444 W，该功率消耗太大，即使考虑到晶闸管导通期间电压比较低，R上消耗的功率总体上来说还是消耗比较大，这将带来电路尺寸、散热等方面的负面影响。

2）当R=1000 Ω 时

由于1000Ω*10 mA=100 V，即需要晶闸管两端电压达到100+10=110 V时，检测电路才能输出高电平，对于电流过零的检测很不灵敏；但另一方面，若晶闸管一直关闭，则电阻R上消耗的功率P=U2/R=3802/1000=144 W，该功率消耗较上一种情况有很大的下降，考虑到晶闸管导通期间电压比较低，R上消耗的功率总体上来说较前一种情况好很多。

因此，使用一个固定的R无法适应功耗和灵敏性两个方面的要求，最好是使用一个可自动改变电阻阻值的元件，该元件的特点是当电压比较低的时候电阻值小，而电压比较高的时候电阻值大。

2 零电流检测电路改进

根据上述分析，零电流检测电路中需要一个可自动改变电阻阻值的元件，恒流二极管正是具有这样特性的元件，恒流二极管的典型特性曲线如图2所示。

当恒流二极管上所加的电压比较低的时候它所呈现出的电阻值比较小，随着电压的上升通过恒流二极管的电流也较快地上升，如图2中电流上升段；而当电压上升到一个转折电压（如图2中接近10 V处）后，恒流二极管就呈现出阻值自动改变的特点，通过它的电流会一直保持恒定（如图2中约22 mA），并不随电压的变化而变化；当电压继续上升，超过恒流二极管承受范围，则发生过压击穿，电流急剧上升，实际应用中应避免出现这种情况[5]。

图2 恒流二极管典型V-I特性

使用恒流二极管取代限流电阻后的基本零电流检测电路如图3所示。其中H为恒流二极管，以它取代原电路中的2只电阻，由于恒流二极管在承受较低电压通过电流未达到其恒流值时表现出较小的电阻，使检测电路灵敏性得到保证，当承受的电压增大到一定程度则其中可以通过的电流被限制在一定值（比如略超过光耦转换状态的电流值），相当于电流恒定而阻值随电压升高而变大，由于电流很小，其消耗的功率也很小，以实例数据计算如下。

图3 利用恒流二极管的零电流检测电路

仍然同上假设交流线电压为380 V有效值，光耦输入端的LED工作电流以10 mA分界影响检测电路输出的高和低，整流桥和稳压二极管压降总共为10 V，恒流二极管的恒流值为12 mA，其进入恒流的转换电压值为10 V，则：

当晶闸管上电压为10+10=20 V时，通过恒流二极管的电流即达到12 mA，超过检测电路转换状态的门限（10 mA），在此之前检测电路输出状态就发生了转换，表明电流过零检测的灵敏度很高；

当晶闸管上的电压超过 20V后，恒流二极管的电流一直维持在12 mA，即使在晶闸管一直关闭的情况下，包括恒流二极管在内整个回路上的消耗的功率仅为P=UI=380V*12 mA=4.56 W，考虑到晶闸管导通期间电压比较低，该功率消耗将更小，该功率消耗值与上述固定电阻时的值相差巨大，既减少了能量消耗又使得电路的尺寸和散热问题变得很好处理。

需要指出的是，由于目前恒流二极管的耐压值一般最高只有100 V，应用于不同电压场合时可以使用多个恒流二极管串联以提高整体耐压值，这种串联不需要均压手段，非常方便，整体的耐压值为各个串联恒流二极管的耐压值之和。由于要考虑恒流二极管承受最大电压而不超出其承受范围，在线电压380 V的系统中需要使用至少6只100 V的恒流二极管串联，考虑电网电压波动时还需增加恒流二极管的数目。