專利名稱：一種控溫電熱毯可控硅零電壓開(kāi)啟模塊及其實(shí)現(xiàn)方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及可控硅零電壓開(kāi)啟模塊，特別是涉及一種控溫電熱毯可控硅零電壓開(kāi) 啟模塊及其實(shí)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(kāi)關(guān)器件，可控硅有陽(yáng)極A，陰極K和門 極(控制端)G三個(gè)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(shí)的開(kāi)通需同時(shí)滿足以下兩個(gè)條件(1)承受正向電壓，即陽(yáng)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(kāi)關(guān)器件——可控硅門極觸發(fā)信號(hào)沒(méi)有任何時(shí)間點(diǎn) 的控制，其功率輸出是在交流半波的任意點(diǎn)(常常是峰值)進(jìn)行的，可控硅在陽(yáng)極——陰 極間電壓或電流很高的條件下，在門極的控制下開(kāi)通，由于開(kāi)通過(guò)程中電壓、電流均不為 零，出現(xiàn)了重疊，因此導(dǎo)致了開(kāi)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(guò)沖，這導(dǎo)致了開(kāi)關(guān)噪聲的產(chǎn)生，其典型的開(kāi)通過(guò)程如圖2所 示，這樣的可控硅開(kāi)通過(guò)程給電路帶來(lái)嚴(yán)重的電磁干擾問(wèn)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(yán)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(jìn)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(kāi)啟模塊，該模塊使可控硅開(kāi)通前電壓先降為零，消除了開(kāi)通過(guò)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(kāi)關(guān)噪聲，在延長(zhǎng)產(chǎn)品使用壽命的同 時(shí)，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(gè)目的在于提供一種控溫電熱毯可控硅零電壓開(kāi)啟模塊的實(shí)現(xiàn) 方法。本發(fā)明的上述目的是通過(guò)如下技術(shù)方案予以實(shí)現(xiàn)的一種控溫電熱毯可控硅零電壓開(kāi)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(hào)整形為同步的方波信號(hào)并輸出給MCU ；MCU:通過(guò)中斷方式實(shí)時(shí)檢測(cè)接收到的方波信號(hào)的下降沿，得到交流電的過(guò)零信號(hào) 點(diǎn)Ml時(shí)立即進(jìn)行定時(shí)控制，在定時(shí)4ms 6ms后的Cl點(diǎn)觸發(fā)并完成PWM方波的生成，并通 過(guò)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(dá)可控硅門極G后為可控硅門極 G提供觸發(fā)信號(hào)，使得在下一個(gè)交流半波到來(lái)時(shí)，可控硅在交流電壓過(guò)零點(diǎn)Kl點(diǎn)開(kāi)啟；同時(shí) 保護(hù)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(kāi)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(hào)整形為同步的方波信號(hào)。在上述控溫電熱毯可控硅零電壓開(kāi)啟模塊中，MCU包括過(guò)零檢測(cè)模塊、時(shí)間點(diǎn)控制 模塊和PWM波形生成模塊，其中過(guò)零檢測(cè)模塊為一中斷控制器，通過(guò)中斷方式實(shí)時(shí)檢測(cè)接 收到的方波信號(hào)的下降沿，得到交流電的過(guò)零信號(hào)點(diǎn)Ml時(shí)立即進(jìn)入時(shí)間點(diǎn)控制模塊；時(shí)間 點(diǎn)控制模塊為一定時(shí)器，進(jìn)行定時(shí)控制，在定時(shí)4ms 6ms后的Cl點(diǎn)觸發(fā)PWM波形生成模 塊；PWM波形生成模塊負(fù)責(zé)完成PWM方波的生成，并通過(guò)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(kāi)啟模塊中，可控硅外圍電路包括可控硅門極保 護(hù)電路和可控硅門極觸發(fā)電路，其中可控硅門極保護(hù)電路由電阻R3與電容C2并聯(lián)而成，保 護(hù)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(guò)，在MCU的IO 口損壞失控時(shí)，阻止直流通過(guò)，R3阻值較大，在直流情況下使得到達(dá)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(yáng)極A，陰 極K和門極G三個(gè)聯(lián)接端，在PWM方波到達(dá)可控硅門極G后為可控硅門極G提供觸發(fā)信號(hào)， 使得在下一個(gè)交流半波到來(lái)時(shí)，可控硅在交流電壓過(guò)零點(diǎn)Kl點(diǎn)開(kāi)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(kāi)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(kāi)啟方法，包括如下步驟(1)將電源交流正弦半波信號(hào)整形為同步的方波信號(hào)；(2)通過(guò)中斷方式實(shí)時(shí)檢測(cè)所述方波信號(hào)的下降沿，得到交流電的過(guò)零信號(hào)點(diǎn)Ml 時(shí)立即進(jìn)行定時(shí)控制，在定時(shí)4ms 6ms后的Cl點(diǎn)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(dá)可控硅門極G后為可控硅門極G提供觸發(fā)信號(hào)，使得在下一個(gè) 交流半波到來(lái)時(shí)，可控硅在交流電壓過(guò)零點(diǎn)Kl點(diǎn)開(kāi)啟；同時(shí)保護(hù)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(diǎn)(1)本發(fā)明控溫電熱毯可控硅零電壓開(kāi)啟模塊通過(guò)引入MCU進(jìn)行智能控制，易于 實(shí)現(xiàn)交流電過(guò)零點(diǎn)的檢測(cè)、與供電電網(wǎng)同步后時(shí)間點(diǎn)的控制和PWM波形的生成，從而實(shí)現(xiàn) 了控溫電熱毯可控硅在電壓過(guò)零點(diǎn)開(kāi)啟，與傳統(tǒng)電熱毯可控硅在交流電壓任意一點(diǎn)開(kāi)啟相 比，由于本發(fā)明使可控硅開(kāi)通前電壓先降為零，從而消除了開(kāi)通過(guò)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(kāi)關(guān)噪聲；(2)本發(fā)明時(shí)間點(diǎn)控制模塊是通過(guò)定時(shí)器控制完成的，大量實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)在得到交流 電的過(guò)零信號(hào)點(diǎn)Ml時(shí)立即進(jìn)行定時(shí)控制，定時(shí)4ms 6ms為最佳，因?yàn)榉讲ㄐ盘?hào)的下降沿 處常常會(huì)有一些毛刺出現(xiàn)，即電源電壓仍存在一定干擾或波動(dòng)，定時(shí)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(kāi)啟模塊針對(duì)當(dāng)前電熱毯控制器由于可控硅 在交流電任意點(diǎn)開(kāi)啟造成電磁兼容性不好的特點(diǎn)，填補(bǔ)當(dāng)前電熱毯行業(yè)的空白，在延長(zhǎng)產(chǎn) 品使用壽命的同時(shí)，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(kāi)啟效果圖3為本發(fā)明可控硅零電壓開(kāi)啟模塊結(jié)構(gòu)示意圖4為本發(fā)明可控硅零電壓開(kāi)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(shí)間點(diǎn)控制模塊觸發(fā)PWM方波生成的時(shí)間點(diǎn)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(kāi)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(kāi)啟圖11為本發(fā)明可控硅零電壓開(kāi)啟效果圖。
具體實(shí)施例方式下面接合附圖和具體實(shí)施例對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步詳細(xì)的描述如圖3所示為本發(fā)明可控硅零電壓開(kāi)啟模塊結(jié)構(gòu)示意圖，由圖可知該開(kāi)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(kāi)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(jìn)行分壓，Cl進(jìn)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(shí)不導(dǎo)通，從而將交流正弦半波信號(hào)整 形為同步的方波信號(hào)。其電源(即a點(diǎn))正弦半波如圖5所示，b點(diǎn)電壓(也即R2兩端電壓)為整形后 的方波信號(hào)，如圖6所示為整形方波圖。該方波信號(hào)的幅值在4V 5V之間，周期為20ms。 該方波信號(hào)從MCU的中斷引腳輸入，作為MCU過(guò)零檢測(cè)的輸入信號(hào)。MCU包括過(guò)零檢測(cè)模塊、時(shí)間點(diǎn)控制模塊和PWM波形生成模塊三個(gè)部分，主要完成 交流電過(guò)零檢測(cè)以及PWM波形生成的時(shí)間點(diǎn)控制。過(guò)零檢測(cè)模塊負(fù)責(zé)檢測(cè)圖6所示的方波下降沿信號(hào)，它實(shí)際上是一個(gè)中斷控制 器，它通過(guò)中斷方式實(shí)時(shí)檢測(cè)該方波的下降沿，得到交流電的過(guò)零信號(hào)Ml后立即進(jìn)入時(shí)間 點(diǎn)控制模塊。時(shí)間點(diǎn)控制模塊是通過(guò)定時(shí)器控制完成的，定時(shí)4ms 6ms (T2)，并從Cl點(diǎn) 時(shí)間點(diǎn)開(kāi)始觸發(fā)PWM波形生成模塊，如圖7所示為本發(fā)明時(shí)間點(diǎn)控制模塊觸發(fā)PWM方波生 成的時(shí)間點(diǎn)選取圖。PWM波形生模塊負(fù)責(zé)完成PWM方波的生成，并通過(guò)MCU的IO 口輸出到 可控硅外圍電路，該模塊的功能是通過(guò)定時(shí)器控制實(shí)現(xiàn)的，每125us到時(shí)，IO 口電平翻轉(zhuǎn)一 次，從而實(shí)現(xiàn)周期為250us(實(shí)驗(yàn)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(hào)，經(jīng)過(guò)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(hù)電路和可控硅門極觸發(fā)電路，分別起到保護(hù)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(kāi)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(hù)電路由電阻R3與電容C2并聯(lián)而成，保護(hù)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(hù)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(shí)若沒(méi)有R3、C2網(wǎng)絡(luò)，則可控硅門 極會(huì)一直有觸發(fā)電流，電熱毯系統(tǒng)會(huì)處于危險(xiǎn)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(guò)，而當(dāng)MCU的IO 口損壞失控時(shí)，C2可以阻止直流通過(guò)， R3阻值很大，在直流情況下使得到達(dá)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(yáng)極A，陰極K和門極G三 個(gè)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(dá)可控硅門極G后，為可控硅門極G提供觸發(fā)信號(hào)，這樣可控硅具備了 導(dǎo)通的兩個(gè)條件之一一門極有觸發(fā)電流；在下一個(gè)交流半波到來(lái)時(shí)，可控硅滿足了導(dǎo)通的 第二個(gè)條件一陽(yáng)極和陰極之間承受正電壓，從而在交流電壓過(guò)零點(diǎn)Kl點(diǎn)開(kāi)啟，如圖10所示 為本發(fā)明可控硅零電壓開(kāi)啟圖；如圖11所示為本發(fā)明可控硅零電壓開(kāi)啟效果圖，由圖11可 知本發(fā)明可控硅零電壓開(kāi)啟方式可以有效消除損耗和開(kāi)關(guān)噪聲。本發(fā)明引入MCU進(jìn)行智能控制，通過(guò)檢測(cè)交流電的過(guò)零點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)與供電電網(wǎng)同步， 并通過(guò)定時(shí)控制可控硅門極信號(hào)的輸出時(shí)間，實(shí)現(xiàn)在交流半波到來(lái)之前給出可控硅門極使 能信號(hào)，從而達(dá)到可控硅剛剛承受正壓時(shí)就導(dǎo)通的效果。以上所述，僅為本發(fā)明最佳的具體實(shí)施方式
，但本發(fā)明的保護(hù)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(hù)范圍之內(nèi)。本發(fā)明說(shuō)明書中未作詳細(xì)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(kāi)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(hào)整形為同步的方波信號(hào)并輸出給MCU；MCU通過(guò)中斷方式實(shí)時(shí)檢測(cè)接收到的方波信號(hào)的下降沿，得到交流電的過(guò)零信號(hào)點(diǎn)M1時(shí)立即進(jìn)行定時(shí)控制，在定時(shí)4ms～6ms后的C1點(diǎn)觸發(fā)并完成PWM方波的生成，并通過(guò)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(dá)可控硅門極G后為可控硅門極G提供觸發(fā)信號(hào)，使得在下一個(gè)交流半波到來(lái)時(shí)，可控硅在交流電壓過(guò)零點(diǎn)K1點(diǎn)開(kāi)啟；同時(shí)保護(hù)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(kāi)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(hào)整 形為同步的方波信號(hào)。
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(kāi)啟模塊，其特征在于所述 MCU包括過(guò)零檢測(cè)模塊、時(shí)間點(diǎn)控制模塊和PWM波形生成模塊，其中過(guò)零檢測(cè)模塊為一中 斷控制器，通過(guò)中斷方式實(shí)時(shí)檢測(cè)接收到的方波信號(hào)的下降沿，得到交流電的過(guò)零信號(hào)點(diǎn) Ml時(shí)立即進(jìn)入時(shí)間點(diǎn)控制模塊；時(shí)間點(diǎn)控制模塊為一定時(shí)器，進(jìn)行定時(shí)控制，在定時(shí)4ms 6ms后的Cl點(diǎn)觸發(fā)PWM波形生成模塊；PWM波形生成模塊負(fù)責(zé)完成PWM方波的生成，并通過(guò) 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(kāi)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(hù)電路和可控硅門極觸發(fā)電路，其中可控硅門極保護(hù)電 路由電阻R3與電容C2并聯(lián)而成，保護(hù)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(guò)，在M⑶的IO 口損壞失控時(shí)，阻止直流通過(guò)，R3阻值 較大，在直流情況下使得到達(dá)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(yáng)極A，陰極K和門極G三個(gè)聯(lián)接端，在PWM方波到達(dá)可控硅門 極G后為可控硅門極G提供觸發(fā)信號(hào)，使得在下一個(gè)交流半波到來(lái)時(shí)，可控硅在交流電壓過(guò) 零點(diǎn)Kl點(diǎn)開(kāi)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(kāi)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(kāi)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(hào)整形為同步的方波信號(hào)；(2)通過(guò)中斷方式實(shí)時(shí)檢測(cè)所述方波信號(hào)的下降沿，得到交流電的過(guò)零信號(hào)點(diǎn)Ml時(shí)立 即進(jìn)行定時(shí)控制，在定時(shí)4ms 6ms后的Cl點(diǎn)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(dá)可控硅門極G后為可控硅門極G提供觸發(fā)信號(hào)，使得在下一個(gè)交流 半波到來(lái)時(shí)，可控硅在交流電壓過(guò)零點(diǎn)Kl點(diǎn)開(kāi)啟；同時(shí)保護(hù)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(kāi)啟模塊及其實(shí)現(xiàn)方法，該開(kāi)啟模塊由整形電路、MCU和可控硅外圍電路組成，通過(guò)引入MCU進(jìn)行智能控制，易于實(shí)現(xiàn)交流電過(guò)零點(diǎn)的檢測(cè)、與供電電網(wǎng)同步后時(shí)間點(diǎn)的控制和PWM波形的生成，從而實(shí)現(xiàn)了控制電熱毯可控硅在電壓過(guò)零點(diǎn)開(kāi)啟，與傳統(tǒng)電熱毯可控硅在交流電壓任意一點(diǎn)開(kāi)啟相比，由于本發(fā)明使可控硅開(kāi)通前電壓先降為零，從而消除了開(kāi)通過(guò)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(kāi)關(guān)噪聲，在延長(zhǎng)產(chǎn)品使用壽命的同時(shí)，使控溫電熱毯向綠色環(huán)保方向發(fā)展。
文檔編號(hào)H05B1/02GK101964651SQ20101027249
公開(kāi)日2011年2月2日 申請(qǐng)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(qǐng)人:北京時(shí)代民芯科技有限公司;中國(guó)航天科技集團(tuán)公司第九研究院第七七二研究所