基于电流过零检测的新型交流稳压电源设计

刘立平，车一鸣，赵 志，崔凤来

(1.保定电力职业技术学院，河北 保定 071051；2.石家庄银河互感器有限公司，河北 石家庄 050011)

0 引言

电力电子器件晶闸管具有电流过零关断的特性，随着电力电子的发展，晶闸管等典型开关元件可作为自动调压的关键切换器件[1-3]，但在实际应用中存在着电源启动时触发不稳定、电压过零触发电路过流、反峰甚至触发失败而产生半波整流现象的危害[4-6]。尤其在感性或容性负载时，由于电压过零时，晶闸管流过的电流滞后或超前于电压，晶闸管不能可靠关断，容易出现“单向半波整流”现象。同时，由于晶闸管电流不可突变，在触发时不可避免地产生冲击电压，对晶闸管要求也提出了很高的要求[7]。目前，为解决感性或容性负载下晶闸管的触发，常用一种在电流过零点时对晶闸管进行触发导通和关断的控制方法[8-10]。

为解决晶闸管交流开关在感性或容性负载时，采用电流过零触发方式存在的不足，从基于电流过零点的自动检测和跟踪角度入手，提出了一种新型的晶闸管电流过零自动跟踪检测及控制电路，并基于此设计了一种新型交流稳压电源[11]。

1 新型电流过零自动跟踪检测电路

新型电流过零自动跟踪检测电路如图1所示，电路采用晶闸管并联的方式，当晶闸管导通时，检测电路中光耦输入信号为低电平，光耦输出即过零信号输出端为高电平，而当晶闸管电流小于维持电流而关断瞬间，晶闸管两端电压突变为高电压，光耦输入信号跳变为高电平，过零信号输出端则跳变为低电平,从而实现电流过零点自动跟踪。同理，在晶闸管关断时，若交流电压过零瞬间，过零信号输出端输出高电平，过零后，过零检测电路输出低电平，从而也能实现电压过零点自动跟踪。

图1 电流过零自动跟踪检测电路

在220 V交流电压情况下，假设桥式整流电路中二极管导通压降为0.7 V，则电流过零自动跟踪检测电路电角度最大在3°以下，而晶闸管本身由通态到关断时间由管子自身参数决定，一般为200～300 μs，折合电角度为4～5°[12]。在实用电路设计中，为了保证电路工作可靠性，设计过零检测输出信号延迟为最大500 μs(电角度9°)的过零信号输出，保证晶闸管能可靠关断。从而解决了在晶闸管电流过零触发控制中，任何同步触发信号丢失造成的同步点不稳及同步干扰、同步抖动等问题，防止了晶闸管在导通相位转换，晶闸管和晶闸管之间交接转换时，对晶闸管可能产生的过流冲击、短路烧毁或过压反峰击穿等带来的颠覆甚至烧毁情况发生[13]。电路同步可靠性强，工作稳定，电路简单，经济性好。

2 基于电流过零自动跟踪检测的交流稳压电源

2.1 交流稳压电源关键电路设计

基于电流过零自动跟踪检测的交流稳压电源原理如图2所示。其主电路为一个多抽头自耦变压器，自耦变压器设置有8个抽头，分别对应170～240 V之间的每10 V递增的电压等级；其输出端固定，输入端通过8组反并联晶闸管或双向晶闸管与输入电压相联。核心控制电路包含8个自动跟踪电流/电压过零检测电路、8路单稳态触发器构成的触发电路、高精度交流有效值实时采样检测电路与通道给定电路、电流过零选通电路，以及过零触发互锁等逻辑处理电路。此外还包含控制电路直流电源、电流采样与检测，以及过流保护等电路。本电路完全采用模拟与数字电路器件，无单片机处理器，具有响应速度快，抗干扰能力强的特点。

图2 基于电流过零自动跟踪检测的交流稳压电源原理

其中，CY1～CY8为8个如图1所示的自动跟踪电流过零检测电路，它是本电路检测与控制的核心电路。

2.2 交流稳压电源工作原理

交流电压有效值采样电路进行交流有效值检测，实时检测单相交流工作电压，并获得8选1通道给定信号。

通电瞬间，没有负载电流，初始触发脉冲应当在电压过零时触发可控硅，这就避免了在市电周期的任意点处的启动[13]。此时电路中晶闸管皆处于未触发导通状态，自动跟踪电流过零检测电路检测输入电压过零点，当输入交流电压过零时，8路自动跟踪电流过零检测电路同时产生8个低电平信号，提供给电流过零选通电路，与交流有效值的通道给定信号进行通道给定逻辑判断后，输出8选1通道给定信号至电流过零选通电路，与8路电流过零信号进行逻辑判断，提供给过零触发互锁电路，选择输出8选1信号提供给8个触发电路之一，触发正确的晶闸管导通。

假设当前输入电压在215～225 V之间，则SCR6#晶闸管被触发导通。其导通瞬间，其对应的自动跟踪电流过零检测电路瞬间产生高电平信号给过零触发互锁电路，以防止其他晶闸管误触发。这时晶闸管SCR6#处于导通工作状态，其他7个晶闸管处于被封锁状态。此时输出电压在215～225 V之间。

SCR6#晶闸管导通后，触发信号消失。在交流电流过零时，该晶闸管自然关断，此时自动跟踪电流过零检测电路CY6输出低电平信号，解除过零触发互锁电路对其他晶闸管触发电路的封锁，8个晶闸管等待触发。

若输入交流电压仍在215～225 V 之间，通道给定6#信号有效，通过电流过零选通电路进行逻辑判断后仍为6#有效，通过过零触发互锁电路继续保持8选1信号提供给触发6电路，再次触发SCR6#晶闸管使之继续导通，保证输出电流连续，同时其他7个晶闸管仍处于被封锁状态。

若输入电压降为205～215 V之间，通道给定5#信号有效，处于准备状态，待到SCR6#晶闸管在交流电流过零自然关断时，由于此时过零触发互锁电路已解除封锁，通过此时过零触发互锁电路已解除封锁，通过电流过零选通电路进行逻辑判断后5#输出有效，通过过零触发互锁电路再次产生8选1信号提供给触发5电路，从而触发SCR5#晶闸管使之导通，同时其他7个晶闸管被封锁，保证输出电压仍在215～225 V之间，从而实现交流稳压。

同理，其他晶闸管触发工作与封锁情况同上，其对应输入电压如表1所示。

表1 不同输入电压下晶闸管触发与封锁状态

电流采样和过流检测电路可快速实时监测输出电流，当发生过流时，产生声光报警信号，同时断开总电源，问题解除后，可按下报警解除按钮解除报警，同时电源恢复工作。

该新型稳压电源采用间隔10 V电压8组抽头结构，输出电压偏差范围为±5 V，理论上具有小于±2.2%的稳定度。

为保证电路稳定工作的可靠性，设计最大500 μs(电角度9°)的确认前路晶闸管电流过零关断确认时间[14-15]，在触发某路晶闸管导通，使输出电压达到所需要的电压值后又封锁其他路的可控硅不能够再打开。这种由连锁电流过零触发的电路制作的自耦抽头式交流调压电路，不受外界电压电流的干扰，自身等到电流过零时再进行转换的工作方式，晶闸管转换时不产生尖峰电流冲击，不出现误触发，不承受电流冲击时的过电压，且由于晶闸管工作在极其安全的工作状态下，所以不产生附加干扰源影响其他电子设备和造成电子污染。

3 新型稳压电源样机测试数据与分析

设计制作2 kV·A交流稳压电源样机，并对其进行了测试。测试数据如表2和表3所示，典型工作波形如图3～图8所示。

表2 阻性负载(负载功率1.5 kW)

表3 感性负载(电阻100 Ω，电感200 mH)

图3为在输入电压210 V情况下，开机瞬间SCR5#晶闸管电压和稳压电源输出电流波形。由图3可知，前半段晶闸管关断，在交流电压过零后，晶闸管触发导通，输出电流波形完整。

如图4所示，在输入电压210 V调整到大于215 V瞬间， SCR5#晶闸管在电流过零时关断，SCR6#晶闸管导通。此时，上面的输出电流波形几乎无畸变，依然完整，下面的SCR5#晶闸管电压波形中，可以看到仅有一个90 V左右的关断过电压，关断后，仅承受有效值为10 V左右的交流电压。

阻性负载SCR5#在关断情况下其两端电压与输出电流的波形如图5所示。可以看出，输出电流波形完整无明显畸变，仅在其晶闸管触发工作时，其两端电压有微小尖峰。

图3 210 V情况下开机启动波形

图4 SCR5#关断SCR6#导通

图5 阻性负载工作波形

图6 换流时的触发延迟

图7 感性负载工作波形

图8 容性负载工作波形

SCR5#关断瞬间，换管触发工作时，触发信号延迟480 μs，输出电流在过零时间断的波形如图6所示。

感性负载在晶闸管SCR4#工作、SCR4#关断情况下，SCR4#两端电压与输出电流的波形如图7所示。滞后曲线为输出电流。可以看出，电流滞后电压近似30°左右，输出电流波形连续完整。图7中可见，电流过零时，晶闸管上电压的触发导通时的转换跳动痕迹。

图8为容性负载在晶闸管SCR4#切换到SCR5#工作时，SCR4#两端电压与输出电流的波形。可以看出，电流超前电压电流波形连续。

从测试数据和工作波形上可以看出，稳压电源工作稳定，晶闸管切换导通时间短，输出电压误差小。输出电流连续、波形无明显畸变，同时，晶闸管关断过电压小。

4 基于电流过零自动跟踪检测的交流稳压电源特点

基于电流过零自动跟踪检测的交流稳压电源的特点如下所述。

a.电路采用模块化结构设计，以8个自动跟踪电流过零检测电路为核心检测技术，正常工作时通过其检测电流过零信号。采样电路进行交流有效值检测，实时监测单相交流工作电压，并将获得8选1通道给定信号，在电流过零选通电路中，与晶闸管电流过零信号进行逻辑处理，通过纯数字电路构成的电流过零选通电路和过零触发互锁等逻辑处理电路，以及晶闸管触发电路，控制相关晶闸管的导通与封锁，通过改变自耦变压器变比，达到一次侧输出交流电压的补偿。

b.在电源通电瞬间，晶闸管最大承受240 V有效值电压，对应晶闸管在输入电压过零点触发工作；而在正常工作时，各晶闸管承受电压皆为10～80 V之间，对应晶闸管在输出电流过零点后触发工作。由于采用双向晶闸管或反并联晶闸管电流准过零(触发延迟)触发方式，器件承受的冲击电流和电压很低，器件工作寿命长。

c.核心控制电路为纯数字电路的逻辑控制方式，整体无单片机芯片，无需编程，响应速度快，调试简单，使用方便。由于采用逻辑互锁方式，有效地防止了误触发，电源安全可靠工作。

d.电路包含有控制电路直流电源、电流采样与检测和过流保护等电路，具有输出过流采样与检测功能，输出过流后能够声光报警并切断输入电源。

5 结束语

采用模块化设计，以新型电流过零检测与触发技术为核心，通过交流电压有效值采样电路进行交流有效值检测，实时监测单相交流工作电压，采用电流过零选通电路和过零触发互锁电路有效地防止了晶闸管误触发导通，保证电源安全可靠工作。基于电流过零自动跟踪检测的交流稳压电源响应速度快，工作电流无畸变，输出电压波形好，工作稳定，可靠性高，有效解决了因电网供电质量较差给用户带来的危害，为用户提供可靠且稳定的电力供应，具有很高的实用价值和技术推广价值。