智能交流電力電子開關(guān)的研究

徐曉玲，胡康榮，劉 珺

（1.華東交通大學(xué)電氣與自動化工程學(xué)院，江西 南昌330013；2.深圳市英威騰交通技術(shù)有限公司，廣東 深圳518108）

普通家用電器通常由機(jī)械開關(guān)進(jìn)行通斷控制，此類開關(guān)通斷電路時會有電火花產(chǎn)生，不但減少使用壽命而且造成安全隱患。 由于機(jī)械磨損，傳統(tǒng)機(jī)械式開關(guān)使用壽命短，并且負(fù)載接入和斷開時的相位是隨機(jī)的，這樣容易對電網(wǎng)造成電磁干擾。 智能交流電力電子開關(guān)是一種全部由固態(tài)電子元件組成的用在交流場合的可遙控?zé)o觸點(diǎn)開關(guān)。 與傳統(tǒng)的機(jī)械開關(guān)相比，智能交流電力電子開關(guān)應(yīng)用于智能家居更具有優(yōu)勢：可遙控控制、使用壽命長、開斷電路的可靠性高、動作速度迅速、電磁干擾小、開斷電路時無機(jī)械振蕩無噪聲、不拉弧無火花、安全性高。 智能家居方興未艾[1]，在智能家居及安全性要求高的場所，智能交流電力電子開關(guān)將成為一種趨勢。

可控硅（silicon-controlled rectifier，SCR）由于其通態(tài)壓降低、成本低、易驅(qū)動等原因常應(yīng)用于電力電子開關(guān)[2－3]。SCR 驅(qū)動是交流電力電子開關(guān)的一項關(guān)鍵技術(shù)，其有多種觸發(fā)方式，傳統(tǒng)的觸發(fā)電路由三極管脈沖放大電路和脈沖變壓器脈沖輸出電路組成[4]。 強(qiáng)觸發(fā)方式電路產(chǎn)生的波形前端高抖后端低平，波形比較理想[5]。 驅(qū)動電路也可采用AVR 單片機(jī)根據(jù)檢測到的電流電壓信號去驅(qū)動SCR，該電路適合交流調(diào)壓和電機(jī)啟動[6]。SCR 采用單片機(jī)通過合適的中間電路產(chǎn)生所需的觸發(fā)波形也比較常見[7-8]，此類電路在電壓干擾比較大時，易產(chǎn)生誤導(dǎo)通，需要添加適當(dāng)?shù)目垢蓴_措施。SCR 的自驅(qū)動電路簡單、成本低，而某些固態(tài)繼電器則采用電阻自驅(qū)動式觸發(fā)[9]。

在施加SCR 觸發(fā)脈沖時，往往將觸發(fā)脈沖和電源電壓信號進(jìn)行同步處理，需要合適的過零檢測電路。過零檢測電路比較經(jīng)典的是用兩個光耦控制器分別檢測電源電壓的過零時刻，進(jìn)行觸發(fā)控制[10-11]。 這種過零檢測方式易受SCR 兩端電壓波動的影響，抗干擾措施不力的情況下，易出現(xiàn)多次觸發(fā)情況。采用帶過零檢測模塊的光耦進(jìn)行過零檢測是一種簡便方案，但電路的過零觸發(fā)不夠準(zhǔn)確，可能誤動作甚至損壞SCR。若在SCR投切電容器的工作環(huán)境出現(xiàn)誤導(dǎo)通，那么會造成沖擊涌流過大，SCR 和電容器將很容易遭受損壞[12]。 這兩種光耦過零檢測電路存在過零誤導(dǎo)通的情況，所以設(shè)計電路時須考慮相應(yīng)的解決方法。 采用比較器檢測電路并通過軟件設(shè)計相位補(bǔ)償和零點(diǎn)校正的方法可提高過零檢測的精度[13]，此方案成本稍高，需采用單片機(jī)。帶相位補(bǔ)償?shù)母呔冗^零檢測電路檢測精度好[14]，但是電路復(fù)雜，所用芯片比較多，成本高。

國內(nèi)外目前此類研究各有特色但成本稍高，不利于作為智能家居的民用電器開關(guān)進(jìn)行推廣；而在日益追求生活品質(zhì)的今天，又因不具備手機(jī)遙控功能而顯得智能性不足。 因而研制一款具備可遙控、安全可靠、低成本的智能交流電力電子開關(guān)具備極高的科研價值與商業(yè)化推廣價值。

1 電路結(jié)構(gòu)與設(shè)計

電路框圖如圖1 所示。

1.1 紅外控制電路的設(shè)計

紅外控制方式相較于其它控制方式簡單、成本低， 采用無需單片機(jī)解碼的簡潔紅外遙控方式。 具體采用將紅外接收頭和解調(diào)輸出電路集成的HS0038 芯片，工作頻率為38 kHz，當(dāng)器件接收到信號時，器件的OUT 端輸出低電平；器件未接收到信號時，器件的OUT 端輸出高電平。

電路采用非門和D 型觸發(fā)器組成進(jìn)行鎖相和翻轉(zhuǎn)的電路。 為了配合HS0038B 的使用，電路中所用的芯片都是TTL 型的。 非門用的是74LS04，D 型觸發(fā)器用的是74LS74。 74LS04 給74LS74 創(chuàng)造與遙控按鍵同步的上升沿，且增強(qiáng)HS0038B 的驅(qū)動能力。 74LS74 的作用是實現(xiàn)鎖相和電平翻轉(zhuǎn)的功能。

圖1 電路結(jié)構(gòu)框圖Fig.1 Structure scheme of the AC power electronic switch

1.2 SCR 主電路的設(shè)計

SCR 主電路是由觸發(fā)電路和過零檢測電路組成的，設(shè)計的SCR 主電路圖如圖2 所示。

電路中的R3 為限流電阻，R1 和R2 為防誤觸發(fā)電阻，RL 為負(fù)載。 該電路工作原理為：假設(shè)ULN 大于0 時， 表示電源在正半周，ULN 小于0時，則表示為電源在負(fù)半周；若MOC3083 的LED端輸入信號F 可以驅(qū)動LED 導(dǎo)通， 那么MOC3083 的雙向晶閘管輸出端就可以工作，則當(dāng)電源從負(fù)半周向正半周過零進(jìn)入正半周時，MOC3083 輸出端導(dǎo)通，晶閘管VT2 正偏，電源經(jīng)D1，MOC3083 輸出端，R3，R2，RL 構(gòu)成觸發(fā)回路，VT2 的G 極電位比K 極電位高， 故VT2 的G 極有觸發(fā)電流流過， 當(dāng)電流增大到一定值時，VT2導(dǎo)通；當(dāng)電源從正半周向負(fù)半周過零進(jìn)入負(fù)半周時，MOC3083 輸出端導(dǎo)通，晶閘管VT1 正偏，電源經(jīng)D2，MOC3083 輸出端，R3，R1，RL 構(gòu)成觸發(fā)回路，VT1 的G 極電位比K 極電位高，VT1 的門極有觸發(fā)電流流過，當(dāng)電流增大到一定值時，VT1 導(dǎo)通。 整個電路通過調(diào)節(jié)R3 的值可以調(diào)節(jié)觸發(fā)時間，即移相。

圖2 SCR 主電路圖Fig.2 SCR main circuit

2 計算機(jī)仿真

紅外控制電路仿真由美國國家儀器（NI）有限公司推出的以Windows 為基礎(chǔ)的仿真工具M(jìn)ultisim 14。測試點(diǎn)的電壓波形圖如圖3 所示。

圖3 紅外控制仿真波形圖Fig.3 Simulation result of infrared control circuit

當(dāng)S1 合上，相當(dāng)于HS0038B 未接收到信號；U1A 的輸入端變?yōu)楦唠娖剑妮敵龆俗優(yōu)榈碗娖?，產(chǎn)生了一個下降沿，U2A 的Q 端保持上一個電平狀態(tài)。當(dāng)S1 斷開，相當(dāng)于HS0038B 接到信號，U1A 輸入低電平，它的輸出變?yōu)楦唠娖?，產(chǎn)生了一個上升沿，U2A 的Q 端電平狀態(tài)翻轉(zhuǎn)。 觀察U2A 的輸出端所接的LED 負(fù)載工作情況，得知這個電路的工作是符合設(shè)計要求的。 從仿真結(jié)果看，設(shè)計電路合理。

2.1 主電路的仿真

市電輸入，主電路采用英國Lab Center Electronics 公司的Proteus7.8，如圖4 所示。

圖4 主電路仿真電路圖Fig.4 Simulation figure of main circuit

當(dāng)開關(guān)未合上，即MOC3043 的輸入端沒有信號時，負(fù)載端的電壓波形如圖5 所示，負(fù)載R1 兩端電壓幅值非常小，只有幾百微伏，視為零，說明此時SCR 未導(dǎo)通。

圖5 斷開時負(fù)載R1 的電壓波形圖Fig.5 Voltage wave of R1 in off-state

當(dāng)開關(guān)閉合時，MOC3043 的輸出側(cè)工作， 負(fù)載兩端電壓波形如圖6 所示， 可見負(fù)載兩端的電壓幅值為310 V 左右，與電源電壓一致，波形無畸變。

圖6 S1 閉合時R1 的電壓波形圖Fig.6 Voltage wave of R1 in on-state

各仿真結(jié)果均驗證了電路的正確性和合理性，搭建實驗臺進(jìn)行實驗測試。

3 實驗測試

市場有眾多免費(fèi)智能遙控功能APP，實驗選用了德仕電視模式。實驗采用20 W 的感性負(fù)載風(fēng)扇進(jìn)行測試。 圖7 為紅外控制接口未接收到信號時的狀態(tài)，輔助電源指示燈（藍(lán)燈）亮，紅外控制輸出電路指示燈（紅燈）熄滅，電扇的扇葉處于靜止?fàn)顟B(tài)。

按下手機(jī)上的紅外遙控按鍵，電路狀態(tài)轉(zhuǎn)換為圖8 所示的狀態(tài)，紅外控制輸出電路的指示燈（紅燈）變亮，輔助電源指示燈（藍(lán)燈）亮，電扇扇葉正常旋轉(zhuǎn)。

實驗測試證明智能交流電力電子開關(guān)具備手機(jī)遙控功能，電路設(shè)計是合理有效的。

4 小結(jié)

基于SCR 構(gòu)建的智能交流電力電子開關(guān)， 運(yùn)用互聯(lián)網(wǎng)及紅外控制技術(shù)通過手機(jī)或者電腦上的相關(guān)應(yīng)用程序來實現(xiàn)對開關(guān)的遙控控制，提高安全性與便利性，保障人身安全的同時，實現(xiàn)開關(guān)電器的人性化和智能化，從計算機(jī)仿真與實驗測試來看，智能交流電力電子開關(guān)設(shè)計合理，功能完備。

智能交流電力電子開關(guān)可以替換傳統(tǒng)機(jī)械開關(guān)，采用手機(jī)遙控使用簡便，極大增加操作的便利性，替代傳統(tǒng)開關(guān)提高智能性采用過零技術(shù)無電磁干擾；不拉弧無火花、安全性高；因而其可廣泛應(yīng)用于智能家居與工業(yè)特別是礦業(yè)。 系統(tǒng)電路簡潔可靠、成本低，易于安裝及批量生產(chǎn)。