一種晶閘管自然關(guān)斷點檢測判斷方法

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，工作過程分析與SCR1導(dǎo)通時類似，等效電路如圖2(b)所示，逆變電流變化趨勢形成一個正弦波的負半周，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)時的波形圖如圖3所示。在SCR1導(dǎo)通時，通過SCR1流向負載的電流波形為iSCR1，假設(shè)SCR1導(dǎo)通時負載電壓為正，隨著C1不斷的放電，電流iSCR1不斷增大，電流iSCR1在最大值時，由放電回路電流的頻率特性可知，負載回路工作在諧振頻率f0。C1放電完畢后，在t1時刻，電流iSCR1為零，SCR1自然關(guān)斷。SCR1自然關(guān)斷后，發(fā)送一個觸發(fā)脈沖，在t2時刻導(dǎo)通SCR2，流過SCR2的電流iSCR2同iSCR1一樣，從零一直減小到負的最大值，在負的最大值時刻負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時刻自然關(guān)斷，完成一個周期。下一周期SCR1在t4時刻導(dǎo)通，循環(huán)以上過程。

2 過零點檢測和峰值檢測原理
由半橋串聯(lián)諧振逆變器工作原理可以知道，負載電流達到最大值時，電壓uR達到峰值時，此時負載回路達到諧振狀態(tài)。將負載電流波形信號通過電流傳感器轉(zhuǎn)變?yōu)殡妷盒盘枺斎氲竭^零點檢測電路與峰值檢測電路，檢測每一個過零點和峰值，發(fā)送信號到微處理器，從而得到每一次達到峰值和過零點的時刻，根據(jù)過零點時刻與峰值時刻的關(guān)系，準確判斷晶閘管的自然關(guān)斷點，控制晶閘管觸發(fā)脈沖的發(fā)送。

過零點檢測電路簡化原理圖如圖4所示，該電路實際是一個倒向放大器，電容C4用作正補償以增加檢測速度。當(dāng)輸出為負時，二極管D5導(dǎo)通，輸出為正時，穩(wěn)壓二極管D7和二極管D6導(dǎo)通。負載電流信號通過電流傳感器轉(zhuǎn)變?yōu)橐粋€電壓信號后，輸入到過零點檢測電路，當(dāng)信號波形在正半周時，過零檢測電路Vo2輸出為高電平，當(dāng)信號經(jīng)過零點處于負半周時，Vo2輸出為低電平。在負載電流過零點處，Vo2的電平發(fā)生跳變，當(dāng)負載電流波形由正到負經(jīng)過零點時，Vo2輸出變化是一個負跳變脈沖，當(dāng)負載電流由負到正經(jīng)過零點時，Vo2輸出變化是一個正跳變脈沖。

峰值檢測電路原理圖如圖5所示，它由兩個運算放大器和兩個晶體管構(gòu)成。運算放大器U1A用來比較輸入和輸出信號，如果輸入信號Vi大于輸出信號Vo1，電容C3通過晶體管Q2通路充電，只有當(dāng)輸出信號和輸入信號相等時充電才會停止，并且保持這個值。開關(guān)S是一個復(fù)位開關(guān)，當(dāng)S接通Q2的發(fā)射極時，電路跟蹤檢測到波峰值；當(dāng)S接通Q1的發(fā)射極時，電路跟蹤檢測到波谷值。
峰值檢測電路中開關(guān)S有一個開關(guān)控制電路，由組合邏輯電路構(gòu)成。當(dāng)Vo1輸出波峰信號時，開關(guān)控制電路接收到高電平信號，控制開關(guān)接通波谷檢測端；當(dāng)Vo1輸出波谷信號時，開關(guān)控制電路接收到低電平信號，控制開關(guān)接通波峰檢測端。采用這種開關(guān)控制方式可以減少信號的延遲時間，快速實現(xiàn)波峰與波谷檢測的切換。過零點檢測電路與峰值檢測電路輸出脈沖信號圖如圖6所示，啟動過零點檢測電路與峰值檢測電路時，發(fā)送一個信號到微控制器，計時器開始計時，此時過零點時間tp=0，負載電流由零逐漸增大，當(dāng)檢測到波峰值時，Vo1輸出信號為正的寬脈沖，在脈沖上升沿讀取微控制器計時器的值tmax，tmax-tp=T／4，其中T為周期。過零點檢測電路檢測負載電流過零點，Vo2輸出為負的窄脈沖，此時讀計時器得到一個過零點時間tn，若tn-tmax≥tmax-tp，則說明負載電流經(jīng)過零點，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。

峰值檢測電路檢測到波谷值時，Vo1輸出信號為負的寬脈沖，在脈沖下降沿時讀取微控制器計時器的值tmin，同樣tmin-tn=T／4，過零點檢測電路檢測負載電流過零點，Vo2輸出為負的窄脈沖，此時讀計時器得到一個過零點時間tp，若tp-tmin≥tmin-tn，則說明負載電流經(jīng)過零點，晶閘管SCR2已經(jīng)自然關(guān)斷。利用峰值檢測與過零點檢測兩個重要因素判斷晶閘管的自然關(guān)斷時間點，兩只晶閘管輪流導(dǎo)通，工作在自然換向狀態(tài)，使開關(guān)損耗減小為零。

3 判斷晶閘管自然關(guān)斷時間點實驗結(jié)果
對電流過零點檢測與峰值檢測的雙要素檢測方法進行仿真實驗，得出其結(jié)果如圖7所示。

從圖7(a)可以看出，負載電流波形為正時，過零點檢測電路的輸出Vo2為高電平，負載電流波形為負時，過零點檢測電路的輸出Vo2為低電平。負載電流由正變負時，Vo2輸出產(chǎn)生一個正向脈沖；負載電流由負變正時，Vo2輸出產(chǎn)生一個負脈沖。
從圖7(b)可以看出，峰值檢測電路首先對波峰值進行跟蹤檢測，檢測到輸入信號的波峰值后，邏輯組合電路得到一個高電平信號，控制開關(guān)S接通波谷值檢測端，峰值檢測電路開始對波谷值進行跟蹤檢測，檢測到波谷值后，邏輯組合電路得到一個低電平信號，控制開關(guān)S接通波峰值檢測端。邏輯組合電路在檢測到峰值后，在下一個峰值到達之前實現(xiàn)對開關(guān)S的控制，使峰值檢測電路可以檢測到下一個峰值。
過零點與峰值檢測方法根據(jù)檢測到過零點與峰值時間點的關(guān)系，準確判斷晶閘管自然關(guān)斷點，從而使晶閘管輪流導(dǎo)通的頻率隨著負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)，在實際電路中證明了該方法檢測效果較好。

4 結(jié)語
過零點檢測電路在檢測過零點時，由于關(guān)斷延時時間的限制，在晶閘管未徹底關(guān)斷時，容易產(chǎn)生誤差信號，過零點檢測此時不穩(wěn)定。為防止晶閘管提前觸發(fā)，采用峰值檢測電路輔助檢測，根據(jù)零點與峰值兩個重要因素的時間點關(guān)系，去除過零點檢測電路在過零點處的干擾，準確判斷出品閘管的自然管斷點，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。