專利名稱：一種控溫電熱毯可控硅零電壓開啟模塊及其實現(xiàn)方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及可控硅零電壓開啟模塊，特別是涉及一種控溫電熱毯可控硅零電壓開 啟模塊及其實現(xiàn)方法。
背景技術(shù)：
控溫電熱毯一般采用可控硅作為功率輸出開關(guān)器件，可控硅有陽極A，陰極K和門 極(控制端)G三個聯(lián)接端，如圖1所示，陰極是可控硅主電路與控制電路的公共端。其正 常工作時的開通需同時滿足以下兩個條件(1)承受正向電壓，即陽極A電壓大于陰極K電壓；(2)門極有觸發(fā)電流；以前的電熱毯控制器，因功率開關(guān)器件——可控硅門極觸發(fā)信號沒有任何時間點 的控制，其功率輸出是在交流半波的任意點(常常是峰值)進行的，可控硅在陽極——陰 極間電壓或電流很高的條件下，在門極的控制下開通，由于開通過程中電壓、電流均不為 零，出現(xiàn)了重疊，因此導(dǎo)致了開關(guān)損耗，可控硅溫度升高，影響器件壽命，而且電壓和電流的 變化很快，波形出現(xiàn)了明顯的過沖，這導(dǎo)致了開關(guān)噪聲的產(chǎn)生，其典型的開通過程如圖2所 示，這樣的可控硅開通過程給電路帶來嚴重的電磁干擾問題，電磁輻射較大，影響周邊電子 設(shè)備的正常工作，更為關(guān)鍵的是，它嚴重影響產(chǎn)品的使用壽命，阻礙了控溫電熱毯向綠色環(huán) 保方向發(fā)展的進程。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于克服現(xiàn)有技術(shù)的上述不足，提供一種控溫電熱毯可控硅零電壓 開啟模塊，該模塊使可控硅開通前電壓先降為零，消除了開通過程中電壓、電流的重疊，降 低了它們的變化率，從而大大減小甚至消除了損耗和開關(guān)噪聲，在延長產(chǎn)品使用壽命的同 時，使控溫電熱毯向綠色環(huán)保方向發(fā)展。本發(fā)明的另外一個目的在于提供一種控溫電熱毯可控硅零電壓開啟模塊的實現(xiàn) 方法。本發(fā)明的上述目的是通過如下技術(shù)方案予以實現(xiàn)的一種控溫電熱毯可控硅零電壓開啟模塊，由整形電路、MCU和可控硅外圍電路組 成，其中整形電路將電源交流正弦半波信號整形為同步的方波信號并輸出給MCU ；MCU:通過中斷方式實時檢測接收到的方波信號的下降沿，得到交流電的過零信號 點Ml時立即進行定時控制，在定時4ms 6ms后的Cl點觸發(fā)并完成PWM方波的生成，并通 過MCU的IO 口將PWM方波輸出給可控硅外圍電路，所述PWM方波的周期< 500us ；可控硅外圍電路接收PWM方波，并在PWM方波到達可控硅門極G后為可控硅門極 G提供觸發(fā)信號，使得在下一個交流半波到來時，可控硅在交流電壓過零點Kl點開啟；同時 保護可控硅門極G不被誤觸發(fā)。
在上述控溫電熱毯可控硅零電壓開啟模塊中，整形電路包括二極管D1、電阻R1、 電阻R2、電容Cl和穩(wěn)壓管D2，其中二極管D1、電阻Rl和電阻R2串聯(lián)連接，電阻R2、電容Cl 和穩(wěn)壓管D2并聯(lián)連接，二極管Dl、電阻Rl和電阻R2起到分壓作用，電容Cl起到濾波作用， 穩(wěn)壓管D2起到穩(wěn)壓作用，從而將交流正弦半波信號整形為同步的方波信號。在上述控溫電熱毯可控硅零電壓開啟模塊中，MCU包括過零檢測模塊、時間點控制 模塊和PWM波形生成模塊，其中過零檢測模塊為一中斷控制器，通過中斷方式實時檢測接 收到的方波信號的下降沿，得到交流電的過零信號點Ml時立即進入時間點控制模塊；時間 點控制模塊為一定時器，進行定時控制，在定時4ms 6ms后的Cl點觸發(fā)PWM波形生成模 塊；PWM波形生成模塊負責完成PWM方波的生成，并通過MCU的IO 口將PWM方波輸出給可 控硅外圍電路，所述PWM波的周期< 500us。在上述控溫電熱毯可控硅零電壓開啟模塊中，可控硅外圍電路包括可控硅門極保 護電路和可控硅門極觸發(fā)電路，其中可控硅門極保護電路由電阻R3與電容C2并聯(lián)而成，保 護可控硅門極G不被誤觸發(fā)，其中電容C2起隔直通交作用，保證接收到的PWM方波有效通 過，在MCU的IO 口損壞失控時，阻止直流通過，R3阻值較大，在直流情況下使得到達可控硅 門極G的電流幾乎為零；可控硅門極觸發(fā)電路由電阻R4和可控硅組成，可控硅有陽極A，陰 極K和門極G三個聯(lián)接端，在PWM方波到達可控硅門極G后為可控硅門極G提供觸發(fā)信號， 使得在下一個交流半波到來時，可控硅在交流電壓過零點Kl點開啟，其中電阻R4用于鉗制 可控硅門極G和陰極K間電位，保證可控硅被可靠觸發(fā)。在上述控溫電熱毯可控硅零電壓開啟模塊中，電阻R3的阻值大于200K。一種控溫電熱毯可控硅零電壓開啟方法，包括如下步驟(1)將電源交流正弦半波信號整形為同步的方波信號；(2)通過中斷方式實時檢測所述方波信號的下降沿，得到交流電的過零信號點Ml 時立即進行定時控制，在定時4ms 6ms后的Cl點觸發(fā)并完成PWM方波的生成，所述PWM 方波的周期< 500us ；(3)在PWM方波到達可控硅門極G后為可控硅門極G提供觸發(fā)信號，使得在下一個 交流半波到來時，可控硅在交流電壓過零點Kl點開啟；同時保護可控硅門極G不被誤觸發(fā)。本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比具有如下優(yōu)點(1)本發(fā)明控溫電熱毯可控硅零電壓開啟模塊通過引入MCU進行智能控制，易于 實現(xiàn)交流電過零點的檢測、與供電電網(wǎng)同步后時間點的控制和PWM波形的生成，從而實現(xiàn) 了控溫電熱毯可控硅在電壓過零點開啟，與傳統(tǒng)電熱毯可控硅在交流電壓任意一點開啟相 比，由于本發(fā)明使可控硅開通前電壓先降為零，從而消除了開通過程中電壓、電流的重疊， 降低了它們的變化率，從而大大減小甚至消除了損耗和開關(guān)噪聲；(2)本發(fā)明時間點控制模塊是通過定時器控制完成的，大量實驗發(fā)現(xiàn)在得到交流 電的過零信號點Ml時立即進行定時控制，定時4ms 6ms為最佳，因為方波信號的下降沿 處常常會有一些毛刺出現(xiàn)，即電源電壓仍存在一定干擾或波動，定時4ms 6ms后電源比較 平穩(wěn)，幾乎為零；(3)本發(fā)明控溫電熱毯可控硅零電壓開啟模塊針對當前電熱毯控制器由于可控硅 在交流電任意點開啟造成電磁兼容性不好的特點，填補當前電熱毯行業(yè)的空白，在延長產(chǎn) 品使用壽命的同時，降低干擾、輻射、消除噪聲，使控溫電熱毯向綠色環(huán)保方向發(fā)展。


圖1為可控硅的聯(lián)接端子示意圖2為現(xiàn)有技術(shù)中可控硅開啟效果圖3為本發(fā)明可控硅零電壓開啟模塊結(jié)構(gòu)示意圖4為本發(fā)明可控硅零電壓開啟模塊中整形電路結(jié)構(gòu)示意圖5為本發(fā)明電源交流正弦半波圖6為本發(fā)明整形方波圖7為本發(fā)明時間點控制模塊觸發(fā)PWM方波生成的時間點選取圖8為本發(fā)明PWM方波圖9為本發(fā)明可控硅零電壓開啟模塊中可控硅外圍電路結(jié)構(gòu)示意圖
圖10為本發(fā)明可控硅零電壓開啟圖11為本發(fā)明可控硅零電壓開啟效果圖。
具體實施例方式下面接合附圖和具體實施例對本發(fā)明作進一步詳細的描述如圖3所示為本發(fā)明可控硅零電壓開啟模塊結(jié)構(gòu)示意圖，由圖可知該開啟模塊由 整形電路、MCU及可控硅外圍電路組成。整形電路起到將電源交流正弦半波整形為方波的作用，如圖4所示為本發(fā)明可控 硅零電壓開啟模塊中整形電路結(jié)構(gòu)示意圖，整形電路為電容降壓的半橋供電系統(tǒng)，包括二 極管D1、電阻R1、電阻R2、電容Cl和穩(wěn)壓管D2，其中二極管D1、電阻Rl和電阻R2串聯(lián)連 接，電阻R2、電容Cl和穩(wěn)壓管D2并聯(lián)連接，DURl和R2進行分壓，Cl進行濾波，穩(wěn)壓管D2 為5V穩(wěn)壓管，將高于5V的電壓都穩(wěn)壓到5V，低于5V時不導(dǎo)通，從而將交流正弦半波信號整 形為同步的方波信號。其電源(即a點)正弦半波如圖5所示，b點電壓(也即R2兩端電壓)為整形后 的方波信號，如圖6所示為整形方波圖。該方波信號的幅值在4V 5V之間，周期為20ms。 該方波信號從MCU的中斷引腳輸入，作為MCU過零檢測的輸入信號。MCU包括過零檢測模塊、時間點控制模塊和PWM波形生成模塊三個部分，主要完成 交流電過零檢測以及PWM波形生成的時間點控制。過零檢測模塊負責檢測圖6所示的方波下降沿信號，它實際上是一個中斷控制 器，它通過中斷方式實時檢測該方波的下降沿，得到交流電的過零信號Ml后立即進入時間 點控制模塊。時間點控制模塊是通過定時器控制完成的，定時4ms 6ms (T2)，并從Cl點 時間點開始觸發(fā)PWM波形生成模塊，如圖7所示為本發(fā)明時間點控制模塊觸發(fā)PWM方波生 成的時間點選取圖。PWM波形生模塊負責完成PWM方波的生成，并通過MCU的IO 口輸出到 可控硅外圍電路，該模塊的功能是通過定時器控制實現(xiàn)的，每125us到時，IO 口電平翻轉(zhuǎn)一 次，從而實現(xiàn)周期為250us(實驗數(shù)據(jù)表明，PWM波周期為500us以下均能滿足要求)占空 比為50%的PWM方波，幅值為5V，PWM方波作為可控硅門極觸發(fā)信號，經(jīng)過可控硅外圍電路 提供給可控硅門極。如圖8所示為本發(fā)明PWM方波圖?？煽毓柰鈬娐分饕蓛刹糠纸M成可控硅門極保護電路和可控硅門極觸發(fā)電路，分別起到保護可控硅門極被誤觸發(fā)和保證在正常狀態(tài)下可控硅門極被可靠觸發(fā)的作 用。如圖9所示為本發(fā)明可控硅零電壓開啟模塊中可控硅外圍電路結(jié)構(gòu)示意圖。其中可控硅門極保護電路由電阻R3與電容C2并聯(lián)而成，保護可控硅門極G不被 誤觸發(fā)，圖中R3為200K的大電阻，起釋放電流作用；Cl起到保護作用，能有效防止可控硅 被誤觸發(fā)；假設(shè)MCU的IO損壞失控并一直輸出高電平，此時若沒有R3、C2網(wǎng)絡(luò)，則可控硅門 極會一直有觸發(fā)電流，電熱毯系統(tǒng)會處于危險的加熱狀態(tài)。而采用R3、C2網(wǎng)絡(luò)后，由于C2有 隔直通交作用，PWM方波能有效通過，而當MCU的IO 口損壞失控時，C2可以阻止直流通過， R3阻值很大，在直流情況下使得到達可控硅門極的電流幾乎為零，防止可控硅被誤觸發(fā)?？煽毓栝T極觸發(fā)電路由電阻R4和可控硅組成，可控硅有陽極A，陰極K和門極G三 個聯(lián)接端，電阻R4用于鉗制可控硅門極G和陰極K間電位，保證可控硅被可靠觸發(fā)。如圖 9所示在PWM方波到達可控硅門極G后，為可控硅門極G提供觸發(fā)信號，這樣可控硅具備了 導(dǎo)通的兩個條件之一一門極有觸發(fā)電流；在下一個交流半波到來時，可控硅滿足了導(dǎo)通的 第二個條件一陽極和陰極之間承受正電壓，從而在交流電壓過零點Kl點開啟，如圖10所示 為本發(fā)明可控硅零電壓開啟圖；如圖11所示為本發(fā)明可控硅零電壓開啟效果圖，由圖11可 知本發(fā)明可控硅零電壓開啟方式可以有效消除損耗和開關(guān)噪聲。本發(fā)明引入MCU進行智能控制，通過檢測交流電的過零點，實現(xiàn)與供電電網(wǎng)同步， 并通過定時控制可控硅門極信號的輸出時間，實現(xiàn)在交流半波到來之前給出可控硅門極使 能信號，從而達到可控硅剛剛承受正壓時就導(dǎo)通的效果。以上所述，僅為本發(fā)明最佳的具體實施方式
，但本發(fā)明的保護范圍并不局限于此， 任何熟悉本技術(shù)領(lǐng)域的技術(shù)人員在本發(fā)明揭露的技術(shù)范圍內(nèi)，可輕易想到的變化或替換， 都應(yīng)涵蓋在本發(fā)明的保護范圍之內(nèi)。本發(fā)明說明書中未作詳細描述的內(nèi)容屬于本領(lǐng)域?qū)I(yè)技術(shù)人員的公知技術(shù)。
權(quán)利要求
一種控溫電熱毯可控硅零電壓開啟模塊，其特征在于由整形電路、MCU和可控硅外圍電路組成，其中整形電路將電源交流正弦半波信號整形為同步的方波信號并輸出給MCU；MCU通過中斷方式實時檢測接收到的方波信號的下降沿，得到交流電的過零信號點M1時立即進行定時控制，在定時4ms～6ms后的C1點觸發(fā)并完成PWM方波的生成，并通過MCU的IO口將PWM方波輸出給可控硅外圍電路，所述PWM方波的周期＜500us；可控硅外圍電路接收PWM方波，并在PWM方波到達可控硅門極G后為可控硅門極G提供觸發(fā)信號，使得在下一個交流半波到來時，可控硅在交流電壓過零點K1點開啟；同時保護可控硅門極G不被誤觸發(fā)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種控溫電熱毯可控硅零電壓開啟模塊，其特征在于所述 整形電路包括二極管D1、電阻R1、電阻R2、電容Cl和穩(wěn)壓管D2，其中二極管D1、電阻Rl和 電阻R2串聯(lián)連接，電阻R2、電容Cl和穩(wěn)壓管D2并聯(lián)連接，二極管Dl、電阻Rl和電阻R2起 到分壓作用，電容Cl起到濾波作用，穩(wěn)壓管D2起到穩(wěn)壓作用，從而將交流正弦半波信號整 形為同步的方波信號。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種控溫電熱毯可控硅零電壓開啟模塊，其特征在于所述 MCU包括過零檢測模塊、時間點控制模塊和PWM波形生成模塊，其中過零檢測模塊為一中 斷控制器，通過中斷方式實時檢測接收到的方波信號的下降沿，得到交流電的過零信號點 Ml時立即進入時間點控制模塊；時間點控制模塊為一定時器，進行定時控制，在定時4ms 6ms后的Cl點觸發(fā)PWM波形生成模塊；PWM波形生成模塊負責完成PWM方波的生成，并通過 MCU的IO 口將PWM方波輸出給可控硅外圍電路，所述PWM波的周期< 500us。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種控溫電熱毯可控硅零電壓開啟模塊，其特征在于所述 可控硅外圍電路包括可控硅門極保護電路和可控硅門極觸發(fā)電路，其中可控硅門極保護電 路由電阻R3與電容C2并聯(lián)而成，保護可控硅門極G不被誤觸發(fā)，其中電容C2起隔直通交 作用，保證接收到的PWM方波有效通過，在M⑶的IO 口損壞失控時，阻止直流通過，R3阻值 較大，在直流情況下使得到達可控硅門極G的電流幾乎為零；可控硅門極觸發(fā)電路由電阻 R4和可控硅組成，可控硅有陽極A，陰極K和門極G三個聯(lián)接端，在PWM方波到達可控硅門 極G后為可控硅門極G提供觸發(fā)信號，使得在下一個交流半波到來時，可控硅在交流電壓過 零點Kl點開啟，其中電阻R4用于鉗制可控硅門極G和陰極K間電位，保證可控硅被可靠觸 發(fā)。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的一種控溫電熱毯可控硅零電壓開啟模塊，其特征在于所述 電阻R3的阻值大于200K。
6.一種控溫電熱毯可控硅零電壓開啟方法，其特征在于包括如下步驟(1)將電源交流正弦半波信號整形為同步的方波信號；(2)通過中斷方式實時檢測所述方波信號的下降沿，得到交流電的過零信號點Ml時立 即進行定時控制，在定時4ms 6ms后的Cl點觸發(fā)并完成PWM方波的生成，所述PWM方波 的周期< 500us ；(3)在PWM方波到達可控硅門極G后為可控硅門極G提供觸發(fā)信號，使得在下一個交流 半波到來時，可控硅在交流電壓過零點Kl點開啟；同時保護可控硅門極G不被誤觸發(fā)。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種控溫電熱毯可控硅零電壓開啟模塊及其實現(xiàn)方法，該開啟模塊由整形電路、MCU和可控硅外圍電路組成，通過引入MCU進行智能控制，易于實現(xiàn)交流電過零點的檢測、與供電電網(wǎng)同步后時間點的控制和PWM波形的生成，從而實現(xiàn)了控制電熱毯可控硅在電壓過零點開啟，與傳統(tǒng)電熱毯可控硅在交流電壓任意一點開啟相比，由于本發(fā)明使可控硅開通前電壓先降為零，從而消除了開通過程中電壓、電流的重疊，降低了它們的變化率，從而大大減小甚至消除了損耗和開關(guān)噪聲，在延長產(chǎn)品使用壽命的同時，使控溫電熱毯向綠色環(huán)保方向發(fā)展。
文檔編號H05B1/02GK101964651SQ20101027249
公開日2011年2月2日 申請日期2010年9月3日 優(yōu)先權(quán)日2010年9月3日
發(fā)明者李范益, 王冠雅, 祝建彬 申請人:北京時代民芯科技有限公司;中國航天科技集團公司第九研究院第七七二研究所