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CN1951011B - 控制三端双向可控硅开关触发的系统和方法 - Google Patents

控制三端双向可控硅开关触发的系统和方法 Download PDF

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CN1951011B CN2004800392799A CN200480039279A CN1951011B CN 1951011 B CN1951011 B CN 1951011B CN 2004800392799 A CN2004800392799 A CN 2004800392799A CN 200480039279 A CN200480039279 A CN 200480039279A CN 1951011 B CN1951011 B CN 1951011B
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Abstract

本发明涉及控制和触发TRIAC的系统以及通过在TRIAC的栅极上产生单个持续时间短的脉冲，起动带有任何功率因数的负载的控制TRIAC触发的方法。为了利用单个比较器(CP1)，而且使运行不受电流电平(IC)限制，提出一种控制和触发TRIAC(TR)的系统，TRIAC包括栅极(G)，TRIAC(TR)连接到负载，栅极(G)电气连接到控制单元(4)，控制单元(4)起动TRIAC(TR)，用于选择性地向负载施加电力网电压(VAC)并使电流(IC)能够在负载上循环，所述系统包括栅极电压检测单元(1)、控制单元(4)，控制单元(4)建立栅极(G)电压极限值(+limit，-limit)并在TRIAC(TR)的栅极(G)上生成脉冲，使之保持导电状态，栅极(G)上的脉冲是从控制单元(4)建立的电压极限值(+limit，-limit)和栅极电压检测单元(1)产生的栅极(G)上实测的电压之间的比较产生的，控制单元(4)测量电流(IC)，并与实测电流(IC)值成正比地调整电压极限值(+limit，-limit)。还提供用于控制TRIAC(TR)的触发以便起动本发明的系统的方法。

Description

控制三端双向可控硅开关触发的系统和方法
本申请书要求2003年12月30日提交的巴西专利N0.P10305983-9的优先权，其内容附此作参考。
技术领域
本发明涉及通过在TRIAC栅极上施加单一的持续时间短的脉冲，起动带有任何功率因数的负载来控制和触发三端双向可控硅开关(TRIAC)的系统以及控制TRIAC触发的方法。
背景技术
如从先有技术已知的，TRIAC是一种开关，主要用来控制负载上的电压电平。
为了起动TIRAC，必需从栅极提供或排放相对于主端子1的电流脉冲，所述电流脉冲的持续时间使通过TRIAC主端子流通的电流能够达到被称为闭锁电流的最小值。一旦所述电流达到所述数值，栅极上的脉冲便可以释放，而所述电流将自然导通直到它达到低于被称为保持电流的维持电流的数值为止。若在所述电流达到保持值的瞬间存在向栅极排放的或向栅极提供的电流，则TRIAC再一次进入导电状态，若栅极信号再一次保持到主端子之间的电流达到闭锁电流为止，则将维持在所述状态下。然后可以无穷地重复所述流通，若监测通过TRIAC流通的电流并在正确的时刻在所述栅极上产生脉冲，则所述TRIAC便保持在导电状态。除了允许TRIAC处于连续导电状态外，当调整触发角度，以便控制负载上想要的有效电压或电流时，对流过所述部件的电流的监测使适当的触发成为可能。
监测通过TRIAC端子流通的电流有不同的方法，用于在紧接在所述电流过零之前的瞬间控制它的触发。这些方法之一是：利用与TRIAC串联的元件例如电阻，监测所述电流，作为在所述电阻上读出的电压的函数，确定所述电流是否趋近于零。监测电流过零的另一个办法是，检测TRIAC主端子之间的电压，但是在这种情况下，即使它立即被触发，所述部件已经切断电流，端子之间电压检测还是指示TRIAC已经处于断开状态。借助于TRIAC监测电流的最有效的方法是，在栅极上测量相对于主端子1的电压，它反映通过主端子流通的电流。美国专利文档US5,629,571和US5,734,289描述了这个想法。在Roudeskl(US5,629,571)的文献中，除控制所述电路用的其它不同的元件以外，使用两个比较器，使得所述电路无法通过利用低成本的微控制单元实现。另外，按照所述参考文献的传授，规定监测TRIAC栅极的电压。但是，所述文献没有公开所述量值作为负载上流通的电流的函数的可调整的控制，这导致应用时负载上的电流范围受到限制。
在Khudoshin(US5,734,289)的文献中，也使用两个比较器，并可以利用微控制单元来实现。但是，和前面的情况一样，所述电路不允许监视范围很宽的TRIAC电流值，这使TRIAC栅极命令或栅极上持续时间长的脉冲失效。
所述电路的功能原理是，把直接反映TRIAC导通的电流的TRIAC栅极对主端子1的实测电压，与称为电压+limit和-limit值的预定的电压值比较。若栅极上实测的电压在+limit和-limit之间，则产生加到TRIAC栅极的信号。为了把在栅极上实测的电压与两个不同的值比较，所述电路利用两个模拟比较器。图3代表栅极上的电压曲线，等效于称为11和12的两个电流过零的瞬间以及称为+limit的比较电压正值。在电流上升期间对称地重复相同的曲线(在这种情况下忽略-limit)。
当在电流下降过程中TRIAC上的电压达到+limit值时(这由瞬间t1代表)，其时栅极电压等效于电流11，而在t2瞬间，当栅极电压等效于另一个电流12，所述电路在TRIAC栅极上产生更多脉冲中的一个。如在图3中可以看到的，电流的值越高，比较器的检定和过零之间的时间就越短。
检测时间不同的缺点在于以下事实，控制单元需要最短时间来分析实测信号和功率阶跃动作，以便起动TRIAC栅极，若所述时间非常短，则处理单元将无法在正确的瞬间完成起动任务。另一方面，若所述时间太长，则控制单元必须产生宽度成正比地增大的信号来起动TRIAC。
因而，为了解决这个问题，可能要按照TRIAC用的预期电流为+limit和-limit固定较高和较低的值，但是所述电流的任何变动超出预先建立的极限，将造成上面描述的问题。因此，可以发现，专利US5,629,571和US5,734,289建议的电路具有只允许在电流的值受限制和以前定义的值的情况下才能工作的缺点。
发明内容
本发明的目的是提供一种在TRIAC主端子流通的电流过零的过程中用于只利用持续时间短的脉冲控制和触发TRIAC的电路。所述电路的特征如下：
-利用简单的和低成本的控制单元实现的可能性；
-只利用模拟比较器来实现所述电路；
-利用非常简单的数模转换器D/A；
-对负载电流和负载的功率因数的任何值都能适当地控制TRIAC。
因而，为了达到本发明的所述目的，所述系统应通过控制单元检测比较器输出的电平转变来起动TRIAC。比较器接收来自TRIAC栅极的电压信号和来自D/A转换器的电压，后者由控制单元控制，而比较器输出的电平转变发生在TRIAC诱生的电流从负值状态至正值状态过渡和相反的过程中(这还可以从栅极的电压实测)，在TRIAC的栅极G上产生持续时间使所述电流达到闭锁数值成为可能的脉冲。
这样，控制单元将在由比较器CP1接收的每次转变时，命令D/A转换器在正电压+limit至负电压-limit和相反之间交换。可以使用单个比较器，而不是先有技术用的一对比较器，并因而产生两个电压电平+limit和-limit。
另外，按照本发明的传授，为了解决以前描述的与不同的电压值有关的问题，+limit和-limit值与在负载中流通的电流值成正比地改变，使得这些limits的检测和电流过零之间的时间可以在适合于正确地起动TRIAC的固定的时间出现。
+limit和-limit电平的这种调整可以通过下式的计算实现：
±limit＝k×IC
其中k是比例常数，应以前确定并作为所述电路的特征的函数加以调整；而IC是在负载中流通的电流。
调整+limit和-limit的另一个办法是借助于存储在控制单元4的控制中心44中的预先建立的数值表进行，其中放入在负载上测量的电流值，并建立+limit和-limit的值，后者应针对当时的情况修改。
本发明的目的是借助于TRIAC控制和触发系统达到的，TRIAC包括栅极，TRIAC连接到负载，栅极电气连接到起动TRIAC的电力装置，选择性地向负载施加电力网电压并使电流在负载中流通，所述系统包括栅极电压检测单元、电力装置和控制单元，电压检测单元电气连接到控制单元，控制单元建立栅极电压极限值(+limit，-limit)，并且TRIAC栅极生成脉冲，以便使之维持导电状态，栅极上的脉冲从控制单元所建立的电压极限值(+limit，-limit)和来自栅极电压检测单元的栅极上实测的电压之间的比较产生。控制单元进一步测量电流并与实测电流值成正比地调整电压极限值(+limit，-limit)。
另外，按照本发明的传授，所瞄准的目标是借助于控制TRIAC触发的方法达到的，TRIAC包括栅极并电气连接到电力网电压，TRIAC选择性地被栅极上的脉冲起动，以便向负载施加电力网电压，使电流能够流通，比较器与TRIAC栅极相关，所述方法包括以下步骤：当检测出栅极上的电压极限值(+limit，-limit)时，在栅极上施加脉冲，所述脉冲是从比较器上的转变产生的，比较器把栅极上的电压极限值(+limit，-limit)和栅极上实测的电压比较；在比较器接收的每次转变时，比较器的输入在正电压极限(+limit)至负极限之间交换，反之亦然。所述方法还包括以下步骤：在栅极施加脉冲以前，测量在负载中流通的电流，并与电流的电平成正比地调整栅极上的电压极限值(+limit，，limit)的电平。
另外，按照本发明的传授，上述目的是借助于控制TRIAC的触发的方法达到的，TRIAC包括栅极并电气连接到电力网电压，TRIAC选择性地被栅极上的脉冲起动，以便向负载施加电力网电压，使电流能够流通，所述方法包括以下步骤：当电流值是最小值时，在栅极上施加脉冲，栅极上的脉冲是在以前建立的测量时间产生的，所述测量时间在电流过零以前出现，测量在负载中流通的电流，并与电流的电平成正比地调整栅极的电压极限值(+limit，-limit)的电平。
附图说明
现将参照在下文中描述的附图更详细地描述本发明。
-图1是按照本发明的系统的电气示意图；
-图2是与所述系统的操作有关的波形示意图；
-图3是波形示意图，举例说明在先有技术的已知系统中栅极电压作为变化的电流的函数与时间的关系；以及
-图4是波形示意图，举例说明栅极电压作为变化的电流的函数与时间的关系，采用本发明的传授，带有起动栅极用的可变极限基准的调整。
具体实施方式
按照图1，可以看出，本发明的TRIAC控制和触发系统基本上包括：栅极G电压检测单元1；检测单元，用于检测馈电电力网2的电压过零点；电流传感器5；电力装置3和控制单元4。电流传感器5可以由与负载串联的低阻值电阻构成，或者也可以是霍耳效应传感器。
电压检测单元1包括电阻分压器，由电阻R1和R2形成，电阻R1和R2在电阻R1的输入端与TRIAC TR的栅极G相关联并且与比较器CP1的输入相关联，所述比较器联结在电阻R1和R2之间。数模(D/A)转换器连接到比较器CP1的另一个输入端并连接到控制中心44。控制中心44可以用分立部件实现，但是最好用微处理器或微控制单元作为控制中心44，也可以使用在其内部已有比较器CP1的控制中心44。
用于检测馈电电力网2的电压过零点的检测单元包括保护二极管D1、D2，保护二极管D1、D2与直流电压VCC相关联，并且通过保护二极管D1、D2并通过电阻R4馈送电力网电压VAC。用于检测馈电电力网2电压过零点的检测单元还接收接通所述系统的命令，两者都与控制中心44相关联。
电力装置3包括电力开关33，电力开关33通过电阻R3连接在控制中心44和TRIAC TR的栅极G之间，而同时控制单元4包括控制中心44和D/A转换器。任选地，电力开关33可以是在控制中心44内。电力装置3可以包括能够提供和/或排放足以起动TRIAC的电流的半导体。
控制单元4通过控制中心44的数字输入端借助于电阻R4和保护二极管D1、D2的连接，接收馈电电力网电压VAC过零点的信号，另外从比较器接收与TRIAC TR的栅极G相关联的信号和接通所述电路的命令信号。作为输出，控制中心44可以命令电力装置通过电力开关33起动TRIAC TR的栅极G并进一步通过D/A转换器限定比较器CP1的输入端中的一个(例如非反相输入端)上的电压值。所使用的D/A转换器可以是低分辨率的，因为比较器CP1的非反相端口上的输入可以以某些电压电平运行(例如将调整所述电压极限值)并且可以使用在控制中心44内或外的D/A转换器。
操作上，在控制中心44接收到接通命令之后，所述系统等待控制中心44通过电阻R4检测出的馈电电力网电压VAC的过零点。检测是在电力网电压VAC从负状态至正状态的转变过程中进行的，例如，在TRIACTR的栅极G上产生其持续时间足以使所述电流能够达到闭锁值的脉冲的瞬间进行。同时控制单元44确定，若R1＝R2，则D/A转换器的输出应等于(+limit)/2的数值，并等待比较器CP1输出变成高电平。如已经描述的，+limit和-limit的数值使得当栅极G上的电压达到这个数值时，负载中的电流IC将高于TRIAC的保持电流。在比较器CP1的输出变成高电平的瞬间，控制单元4通过电力装置3在TRIAC TR的栅极G上产生新的脉冲，因为电流IC趋向于零。所产生的脉冲应具有足以确保电流IC再次达到闭锁值的持续时间。所述脉冲之后，控制单元4在D/A转换器的输出上确定一个等于(-limit)/2的数值，并等待比较器此时的输出变成低电平，在TRIAC TR的栅极G上生成新的脉冲。然后，只要存在接通所述电路的命令，就可以重复所述流通。对D/A转换器的控制是根据由控制中心44产生的数字信号进行的，并且稍后又产生等于+limit和-limit电压极限的调整电压值。
所述系统对TRIAC TR电流值宽阔的范围的适应性是通过读出流通电流IC保证的，流通电流IC允许控制中心44随所述读出的电流的变化而校正所述+limit和-limit值。这个解决方案还使单个比较器CP1的使用成为可能，因为使用两个栅极G的电压极限值(+limit，-limit)。
从图4有可能跟踪通过D/A转换器随电流IC的变化而校正施加在比较器CP1的电压的结果，产生现在是变量的栅极电压值(+limit，-limit)的检测和过零点之间的固定的时间或测量时间tM，这时间足以用来操作控制单元44并允许TRIAC TR栅极G上所施加的脉冲的宽度窄。
因而，电流检测器5检测出来的电流IC越大，正的和负的栅极电压极限(+limit和-limit)的值的振幅越高，反之，电流IC越低，这些数值越小，确保产生带有触发TRIAC TR的精确宽度的脉冲。在任何情况下，都可以在栅极G上产生宽度窄的脉冲，因为这总是从测量时间tM进行的，所述时间应是以前建立的，以确保在栅极G上产生的脉冲将具有所需的有效性，而且它应该总是在电流的电平IC的过零点以前出现。
除TRIAC TR的连续触发，在负载上完全维持电力网电压VAC以外，还可以从在TRIAC TR的栅极G上生成脉冲的延迟时间，与负载的功率因数无关地，把负载上的电压VAC调整至一个电压值，因为它是被监测的通过TRIAC TR流通的电流。
具体地说，在用于控制TRIAC TR的方法方面，当检测出栅极G上的电压极限值(+limit，-limit)时，执行在栅极G上施加脉冲的步骤，所述脉冲是从比较器CP1转变产生的，比较器CP1把栅极G上的电压极限值(+limit，-limit)与在栅极G上实测的电压比较，每当由比较器CP1收到转变时，便把比较器CP1的输入从正电压极限(+limit)交换为负极限(-limit)和相反。
另外，规定调整栅极上的电压极限值+limit，-limit的步骤，所述步骤是通过控制中心44使用方程式±Limit＝k×IC来进行的，不断地执行测量电流IC的步骤。
执行调整+limit和-limit的步骤的另一个办法是借助于存储在控制单元4的控制中心44的预先建立的值的表，其中把在负载上测量的电流值输入到所述表中并建立在当时的情况下应当采用的+limit和-limit值。
已经描述了最佳实施例，应该明白，本发明的范围包括其它可能的变化，它只受后附权利要求书内容的限制，包括可能的等效物。

Claims (25)

1.一种控制和触发三端双向可控硅开关的系统，所述三端双向可控硅开关包括栅极，所述三端双向可控硅开关连接到负载，所述栅极电气连接到起动所述三端双向可控硅开关以便选择性地向所述负载施加电力网电压并使电流能够在所述负载中流通的电力装置，所述系统的特征在于包括：
-栅极电压检测单元，用于检测栅极电压；
-过零点检测单元，用于检测馈电电力网电压过零点；
-电力装置；以及
-控制单元；
所述栅极电压检测单元电气连接到所述控制单元，
所述控制单元建立栅极电压极限值并在所述三端双向可控硅开关的所述栅极上产生脉冲，以便使所述三端双向可控硅开关保持导电状态，
所述栅极上的所述脉冲是从由所述控制单元建立的电压极限值和栅极电压检测单元在所述栅极上实测的电压之间的比较产生的。
2.如权利要求1所述的系统，其特征在于：所述控制单元测量所述电流并与实测电流值成比例地调整所述电压极限值。
3.如权利要求2所述的控制系统，其特征在于：所述控制单元在以前建立的测量时间在所述三端双向可控硅开关的栅极上产生所述脉冲，所述测量时间出现在所述电流过零点以前。
4.如权利要求2所述的系统，其特征在于：所述控制单元从电流传感器获得电流值。
5.如权利要求2所述的系统，其特征在于：对所述极限值的所述调整是借助于以下方程式完成的：极限值＝k×电流值，其中k是以前确定的比例常数。
6.如权利要求2所述的系统，其特征在于：对所述极限的所述调整是借助于存储在所述控制单元中的预先建立的值的表完成的。
7.如权利要求1所述的系统，其特征在于：用于检测所述栅极上的电压的所述检测单元包括电气连接到所述三端双向可控硅开关的栅极并且电气连接到D/A转换器的比较器，所述比较器接收所述三端双向可控硅开关的所述栅极上的所述电压的信号和由所述D/A转换器产生的信号，所述D/A转换器接收由控制中心产生的数字信号，由所述控制中心产生的所述信号建立调整电压值，所述调整电压值等于所述极限值。
8.如权利要求7所述的系统，其特征在于包括电力装置，所述电力装置与所述控制单元相关联并且在所述控制中心发出命令时在所述三端双向可控硅开关的所述栅极上产生电压脉冲。
9.如权利要求8所述的系统，其特征在于：所述控制单元包括所述D/A转换器，其产生所述调整电压值。
10.如权利要求8所述的系统，其特征在于：当所述控制中心检测到所述比较器的输出电平的转变时产生所述三端双向可控硅开关上的所述脉冲。
11.如权利要求8所述的系统，其特征在于：每当所述比较器接收到转变时，所述控制中心便命令所述数模转换器在正电压极限至负极限之间进行交换，反之亦然。
12.如权利要求8所述的系统，其特征在于：借助于电阻分压器把所述三端双向可控硅开关的所述栅极上的所述电压加到所述比较器上。
13.如权利要求12所述的系统，其特征在于：所述电阻分压器是由同样电阻值的电阻器形成的。
14.如权利要求7所述的系统，其特征在于：所述数模转换器是所述控制单元内部的数模转换器。
15.如权利要求7所述的系统，其特征在于：所述比较器是所述控制中心内部的比较器。
16.如权利要求7所述的系统，其特征在于：电力开关是所述控制中心的内部开关。
17.一种控制三端双向可控硅开关的触发的方法，所述三端双向可控硅开关包括栅极并电气连接到电力网电压，
根据所述栅极上的脉冲而选择性地起动所述三端双向可控硅开关，以便把所述电力网电压加到负载上，使电流能够流通，
使比较器与所述三端双向可控硅开关的所述栅极相关联，
所述方法的特征在于包括：
当在所述栅极上检测到电压极限值时，在所述栅极上施加脉冲，所述脉冲是从所述比较器的转变产生的，所述比较器把所述栅极上的所述电压极限电压和在所述栅极上实测的电压比较，
在所述比较器接收的每一次转变时从所述正电压极限到负极限交换所述比较器的输入，反之亦然。
18.如权利要求17所述的方法，其特征在于：在所述栅极上施加所述脉冲的步骤之前，规定测量在所述负载中流通的电流的步骤，以及
与所述电流的电平成正比地调整所述栅极上的电压值的电平。
19.如权利要求18所述的方法，其特征在于：在调整所述电压极限值的步骤中，应用方程式：极限值＝k×电流值，其中k是比例常数。
20.如权利要求18所述的方法，其特征在于：在调整所述电压极限值的步骤中，有一个读出预先建立的值的表的步骤。
21.如权利要求18所述的方法，其特征在于：所述栅极上的电压脉冲具有足以使所述三端双向可控硅开关中流通的电流达到闭锁值的持续时间。
22.如权利要求21所述的方法，其特征在于：根据电力网电压过零点的测量值控制所述栅极上的第一脉冲。
23.一种控制三端双向可控硅开关的触发的方法，所述三端双向可控硅开关包括栅极并电气连接到电力网电压，
根据所述栅极上的脉冲选择性地起动所述三端双向可控硅开关，以便向负载施加所述电力网电压，使电流能够流通，
所述方法的特征在于包括以下步骤：
当所述电流的值达到最小值时，在所述栅极上施加脉冲；建立所述栅极上的电压极限值，以便在所述三端双向可控硅开关的栅极上产生所述脉冲，用于使所述三端双向可控硅开关保持导电状态，在以前建立的测量时间产生所述栅极上的所述脉冲，所述测量时间出现在所述电流电平的过零点之前，
测量在所述负载中流通的电流，以及
与所述电流的电平成比例地调整所述栅极上的所述电压极限值电平。
24.如权利要求23所述的方法，其特征在于：连续地测量所述电流。
25.如权利要求24所述的方法，其特征在于：在所述三端双向可控硅开关的所述栅极上施加所述脉冲的步骤中，规定根据在所述栅极上产生所述脉冲的延迟时间来调节所述负载上的电压电平。
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