《电力电子技术及应用》由会员分享，可在线阅读，更多相关《电力电子技术及应用（93页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
1、第6章 电力电子器件的实际应用及技术开发,6.1 小功率电力电子器件的应用 6.2 电力电子器件的综合应用 6.3 新型电力电子器件设计开发简介 习题与思考题,6.1 小功率电力电子器件的应用,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，电路的负载一般为普通的白炽灯。 调光电路的工作原理可以通过图6-1（a）分析说明。,图6-1a双向晶闸管小功率白炽灯调光电路,6.1.2 固态交流开关固态交流开关是一种无触点通断组件，一般采用双向晶闸管作为负载电流控制开关。根据控制容量的不同，也将其称为固态继电器（Solid State
2、Relay， 简称SSR）和固态接触器(Solid State Contactor， 简称SSC)。 固态交流开关分为非零压型开关和零压型开关， 典型电路分别如图6-2、图6-3所示。,图6-2 非零压型开关,图6-3所示的零压固态交流开关中，当控制输入电压VIN大于一定幅值后，4N25中的光敏三极管导通，迫使V1截止，从而由R5提供触发电流，有可能使普通晶闸管VT1导通。但是，VT1的导通还取决于V2是否截止。V2的截止由R3、R4的分压决定，适当选择R3、R4的阻值，使V2在交流电压波形接近于过零点时截止， 其余时刻导通，即可保证VT1、VT2在交流电压过零点触发，构成零压固态交流开关。,
3、图6-3 零压型开关,6.1.3 小功率电力电子器件的技术开发两线制小功率晶闸管电子开关已广泛应用于各种照明装置的控制。这种电路的特点是采用阻容降压形式为触发电路供电。 因此，为保证控制电路的正常工作，无论电子开关是否导通， 阻容元件上都将存在着功耗，特别是对于大容量电子开关，这一缺点显得尤为突出。图6-4给出了一种两线制节能电子开关，其特点是利用双向晶闸管VT1的漏电流、关断状态指示电路及双向晶闸管多象限触发的特点实现微功耗供电，以求在提供最大的触发功率的前提下保持最小的静态功耗。,图6-4 两线制节能电子开关,两线制节能电子开关的核心是双向晶闸管VT1，利用VT1的导通、关断可以实现对负载
4、的开关控制，而VT1的触发能量则是由蓄能电容提供的。电路工作原理可以描述为：当节能电子开关关断时，通过指示电路R1、LED及VT1的漏电流向蓄能电容C1充电，此时，如果控制电路输出触发信号，则控制三极管V1导通，蓄能电容C1将通过VT1的触发PN结、限流电阻R2和控制三极管V1形成放电回路。如果C1上积蓄的能量足够大，能够维持电流的流通时间大于VT1的触发开通时间，则可保证VT1的可靠触发。一旦电子开关导通后，C1的充电将由主回路电流直接提供，其供电能力将不受限制。另外，并联在C1两端的稳压二极管V3主要用于限压，同时V3两端的电压也可用于向控制电路提供工作电源V+。电路中的二极管VD1、VD
5、2相对C1起单向充电作用， 而对于主回路则可保证交流导通。,图6-5 两线制功率扩展电子节能开关,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回路原理简图,6.2.1 整流触发工作原理在中频感应加热电源中通常使用数字式整流触发电路。 其结构特点是将计数器电路的计数脉冲溢出作为触发信号， 而触发信号的相移则是由改变计数脉冲的频率来完成的。数字式整流触发电路的基本工作原理如图6-7所示。,图6-7 整流触发电路原理框图,1. 同步信号产生电路同步信号产生电路如图6-8所示，该电路由同步过零检测和逻辑输出电路两部分组成。其中同步过零检测电路以隔离光耦O1O6为核心配合相间限流电阻和平
6、衡电容组成；逻辑输出电路主要包括或非门IC2BIC2D、IC7BIC7D、IC11BIC11D。,图6-8 同步信号产生电路,同步信号产生电路的工作原理为： 当两相输入电压相等时，有两个光耦的发光二极管同时截止，检测出过零信号。在过零信号的作用期间，对应两只光耦的输出三极管截止，并从集电极输出高电平。高电平信号被送入逻辑输出电路，分别经过输入端并联的“或非门”IC2C、IC2D、IC7C、IC7D、IC11C、C11D输出低电平信号，每两路低电平信号同时加在下一级“或非门”的输入端，迫使其输出为高电平。由于过零点只能够持续短暂的时间，因此本级输出实际为正向脉冲，利用这一正向脉冲可以作为脉冲发生
7、计数器的复位信号，即脉冲计数的起点。另外，当两相输入电压之间存在电压差时，两相间反向并接的光耦发光二极管中有一只导通，对应光耦的输出三极管输出低电平。此低电平经过下一级输入端并联的“或非门”IC2B、IC7B、IC11B，以高电平的形式输出，作为通道允许开放信号， 用于脉冲通道选择控制。,2. 脉冲发生计数器电路脉冲发生计数器电路如图6-9所示，电路由可编程计数器IC3、IC8、IC12组成。,图6-9 脉冲发生计数器电路,图中，输入信号来自V/F电路，为频率可变的脉冲信号。 该信号作为可编程计数脉冲，经由IN1端加入可编程计数器。 起始计数控制信号来自同步信号产生电路输出端“或非门”送来的复
8、位脉冲，有效计数延时起始于复位脉冲之后，并在计数溢出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用CD4536芯片， 计数溢出设置由芯片的A、B、C、D及8 BYP引脚的高低电平组合实现，设定方法参见表 6-1。按照参考电路附图A中的接线方式可以看出，DCBA对应的高低电平组合为“1000”，其分频链译码级数为9，即在二进制数的第9位溢出， 或理解为计满256个脉冲后溢出。另外，在设计中考虑到装置出现故障时应能够及时切断触发脉冲进行保护，控制电路将所有故障汇总形成故障关断信号加在各路可编程计数器的OINH端， 用于故障时切断输出。,表 6-1 CD4536译码输出选择表,3. 脉冲通
9、道选择及整形放大电路图6-10给出了两路脉冲通道选择及整形电路，完整的电路共有6路（参见电路附图）。其中脉冲通道选择部分由NE556时基电路IC1A、IC1B、IC6A、IC6B、IC10A、IC10B及“或非门”电路IC2A、IC7A、IC11A组成；脉冲整形放大电路由驱动三极管V1V6及脉冲触发变压器T1T6组成，考虑到适应不同的触发功率，采用了大功率驱动三极管，型号为TIP41C。,图6-10 两路脉冲通道选择及整形放大电路,图6-11 整形放大电路输出触发信号波形,4. V/F压频转换电路在中频感应加热装置中，整流输出电压的大小是通过调节装置面板上的调功电位器完成的，调功电位器中心活动
10、端的电压分压值的变化对应整流桥路中晶闸管的不同导通相位角的改变。在数字式整流触发电路中，改变导通相角的方法是改变进入脉冲计数器的信号频率。因此，在输入调节电压和脉冲计数器之间必须进行信号形式转换，这一转换过程由V/F压频转换电路完成。压频转换电路有多种形式，在电路附图中使用的是一种以1/2 NE556时基电路、PNP三极管及附属元件共同组成的压控振荡器电路。 其电路原理如图6-12 所示。,图6-12 V/F压频转换电路,6.2.2 逆变控制电路工作原理逆变控制电路原理图如图6-13所示。电路由CD4046锁相环IC23、LM324四运算放大器IC19AIC19D、LM339四比较器IC22B
11、 IC22D、CD4066四模拟开关IC21A、IC21B、IC21D等元件组成。,图6-13 逆变控制电路原理图,逆变控制电路的功能相当于一个扫频信号发生器电路， 当扫频信号与逆变谐振槽路（参见图6-6LC谐振回路）的振荡频率一致时， 实现信号相位的同步锁定，达到跟踪谐振槽路频率变化的目的。其工作原理可概括如下： 逆变控制电路的核心是锁相环电路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及源极跟随器组成。在逆变控制电路中，利用其中的压控振荡器作为扫频信号发生源，相位比较器用于中频电压反馈信号和扫频信号之间的锁相比较。,图6-14 CD4046锁相环
12、芯片内部结构,1. 扫频电压发生部分扫频电压的发生起始于由运放IC19C与C59、RW6及D68组成的积分电路。由于运放IC19C的反相端连接在电位器RW6的活动端， 当控制电路的电源接通时，首先，RW6的活动端会出现一个大于零的分压，相当于在积分电路的输入端加入一个电压阶跃信号， 其输出电压由高向低按照积分规律变化。其中，在开关二极管D68的阳极端电位高于阴极端电位期间，经D68输出一个正向脉冲信号，脉冲高电平的持续时间由积分电路的积分时间常数决定。,扫频电压发生部分的核心电路由运放IC19B与R118、R119、R122、R123及C53等元件组成，其功能相当于一个扫频电压发生器， 具有比
13、例积分（PI）的输出特性。电路在运放IC19C输出高电平脉冲的作用下，输出端也会产生一个先高后低按积分规律变化的电压。与前述电路不同的是，由于C53容量较大，电压下降速率较缓且线性较好，下降电压持续时间在输入高电平脉冲下跳沿结束。同时，由于输入信号反极性变化，IC19B的输出端电压极性也会出现反转升高，导致运放IC19C同相输入端电位上升， 结束一次扫频。扫频电压发生电路的输出加在IC23锁相环芯片的9脚VCOIN端，按照电压由高向低线性变化的趋势，IC23的4脚VOUT端将会输出由高向低变化的频率信号。,2. 频率锁定部分频率锁定电路包括IC23锁相环芯片，模拟切换开关IC21A、 IC21
14、B、IC21D，比较器IC22BIC22D，中频变压器T7及相关元件。 当IC23锁相环芯片的4脚VOUT端输出的扫频信号触发逆变桥路晶闸管时，中频负载谐振槽路便会得到交变信号，该信号如果与槽路固有谐振频率一致，将会产生谐振而获得最大电压振幅。 中频谐振槽路产生的交变电压可以通过中频降压变压器T7的原边感应到副边，感应信号经二极管VD101、VD102限幅，和电阻R138、电容C72、C74滤波后送入比较器IC22B的输入端。比较器IC22B的输出即为锁相环芯片IC23的14脚AIN端的反馈输入信号， 一旦得到反馈信号，锁相环便跟踪进入锁定状态，其内部相位比较器在2脚PCI端产生输出电压。该输
15、出电压使得模拟开关IC21A、IC21B、IC21D产生状态切换，进入自动闭环相位调节状态。 同时，扫频工作终止。上述转换的结果是：锁相环内部压控振荡器VCO的振荡频率与反馈信号锁定，并在相位上稍有超前， 从而使中频振荡频率趋于稳定。,3. 启动检测部分启动检测部分包括启动成功检测电路和启动失败检测电路。 启动成功检测电路由运放IC19A、电阻R121、R117、R116及启动指示发光二极管DPP等元件组成，当频率锁定成功后，模拟开关IC21A、IC21B导通和IC21D截止，IC19A反相输入端的电位降低，输出电位升高。启动成功的标志是启动指示发光二极管DPP停止发光，并从R117、R116
16、的分压点输出约为2/3VCC的高电平，该高电位作为允许给定功率调节的控制信号。启动失败检测电路由运放IC19D、电阻R124、R115及电源指示发光二极管Dpw等元件组成。其中电源指示发光二极管Dpw也是扫频输出电路IC19B和启动成功检测电路IC19A偏置电路的一部分，它为IC19D的同相输入端提供约1.5 V左右的参考电位， 同时也兼有电源指示的作用。当扫频锁相失败，即扫频电压由高向低变化最终无法检测到中频反馈信号时，IC19D的反相输入端的电位将会降至低于同相输入端的电位，此时IC19D输出变高, 形成启动失败信号，该信号通过运放IC9A的控制来禁止给定功率调节的控制信号输入。,4. 自动重复启动电路在扫描电路的控制下，若一次启动不成功，则锁相扫频电路会进行自动重复启动，再由最高频率向下重新扫描，直至启动成功为止。 重复启动的周期约为0.5 s左右，完成一次启动到满功率运行的时间不超过1 s。自动重复启动电路如图6-15所示，由时基电路IC9A，二极管VD40、VD41，电容C24、C22、C43及R42组成。其中，时基电路是这部分的核心， 仍采用NE556芯片。 该电路的工作原理如下：,
