無環(huán)流交交變頻器的零電流檢測電路

熊 凱，許正望

（1.武漢加多寶飲料有限公司，武漢430056; 2.湖北工業(yè)大學電氣與電子工程學院，武漢430068）

0 引言

在變頻器領域，利用以IGBT為代表的全控器件為核心構成的產(chǎn)品具有功率因素高、諧波少等優(yōu)點，但也存在著器件價格高且比較嬌氣的缺點，以傳統(tǒng)晶閘管為核心構成的產(chǎn)品則正好與之相反，尤其在國內(nèi)完全掌握晶閘管制造技術的情況下，以晶閘管構成的變頻器在某些場合具有優(yōu)勢。

以晶閘管構成的交交變頻器以交流到交流的直接變頻、無須中間電容等特點得到較廣泛的應用，而交交變頻中無環(huán)流控制方式又以無須高成本的環(huán)流電抗器而得到較多應用。在無環(huán)流控制中，輸出正半波的P組整流橋和輸出負半波的N組整流橋之間的切換要求非常高，一方面要求工作組所有晶閘管全部關斷之后才能讓等待組投入工作，否則會發(fā)生電源直通的短路事故；另一方面要求關斷工作組與開通等待組之間的時間盡量短，以減小死區(qū)時間，改善輸出波形，減少諧波；這兩個方面是互相矛盾的，必須要準確檢測到輸出電流減小到零才能在這兩個方面中獲得一些平衡[1]。

1 傳統(tǒng)零電流檢測電路分析

對于電流過零檢測，由于交交變頻器在工作過程中產(chǎn)生的諧波較多，如果直接檢測電流難以準確檢測到真正的電流過零點，一般采用的方法是檢測晶閘管上的反壓降，由于電流不為零時一定有晶閘管導通，其兩端電壓降很小，而電流為零則晶閘管承受正的或負的電壓較大，通過檢測管壓降可以確定電流是否為零。檢測一對晶閘管壓降的電路一般如圖1所示[1,3]。

圖1 基本零電流檢測電路

其中穩(wěn)壓二極管 DW 提供一個導通的門檻壓降，以防止小幅度干擾影響輸出[4]。電阻R1、R2串在回路中，以限制電流。在這個電路中，電阻的阻值R=R1+R2很難選擇：如果R取值小，則晶閘管上的壓降增加到一個比較小的值，就可以在光耦輸入端產(chǎn)生較大的電流，光耦輸出端就可以有高低電平的變化，檢測靈敏性比較好，對過零點檢測比較準確，但R上的功耗會很大；如果R取值大，則需要晶閘管上的壓降增加到一個比較大的值，檢測電路才可以檢測到，檢測靈敏性比較差，對過零點檢測不夠準確，但好處是R上的功耗會比較小。

上述R取值對功耗和過零點檢測精度的影響可用一個典型數(shù)據(jù)具體計算，當2只晶閘管均關斷時其上承受交流線電壓，假設其有效值為380 V，整流橋和穩(wěn)壓二極管壓降總共為10V，而光耦輸入端的LED工作電流以10 mA為分界，當輸入電流小于10mA時，輸出端三極管截止，輸出端L為低電平，當輸入電流大于10 mA時，三極管導通，輸出端L為高電平。取2個不同的R值分別計算如下：

1）當 R=100 Ω 時

由于100Ω*10 mA=10 V，當晶閘管兩端電壓只要超過R與DW上的壓降（忽略光耦輸入端壓降），即10+10=20 V時，則檢測電路輸出端L為高電平，否則為低電平，因此電路對晶閘管上的電壓比較敏感，可以比較靈敏地檢測電流的過零；但另一方面，若晶閘管一直關閉，則電阻R上消耗的功率P=U2/R=3802/100=1444 W，該功率消耗太大，即使考慮到晶閘管導通期間電壓比較低，R上消耗的功率總體上來說還是消耗比較大，這將帶來電路尺寸、散熱等方面的負面影響。

2）當R=1000 Ω 時

由于1000Ω*10 mA=100 V，即需要晶閘管兩端電壓達到100+10=110 V時，檢測電路才能輸出高電平，對于電流過零的檢測很不靈敏；但另一方面，若晶閘管一直關閉，則電阻R上消耗的功率P=U2/R=3802/1000=144 W，該功率消耗較上一種情況有很大的下降，考慮到晶閘管導通期間電壓比較低，R上消耗的功率總體上來說較前一種情況好很多。

因此，使用一個固定的R無法適應功耗和靈敏性兩個方面的要求，最好是使用一個可自動改變電阻阻值的元件，該元件的特點是當電壓比較低的時候電阻值小，而電壓比較高的時候電阻值大。

2 零電流檢測電路改進

根據(jù)上述分析，零電流檢測電路中需要一個可自動改變電阻阻值的元件，恒流二極管正是具有這樣特性的元件，恒流二極管的典型特性曲線如圖2所示。

當恒流二極管上所加的電壓比較低的時候它所呈現(xiàn)出的電阻值比較小，隨著電壓的上升通過恒流二極管的電流也較快地上升，如圖2中電流上升段；而當電壓上升到一個轉(zhuǎn)折電壓（如圖2中接近10 V處）后，恒流二極管就呈現(xiàn)出阻值自動改變的特點，通過它的電流會一直保持恒定（如圖2中約22 mA），并不隨電壓的變化而變化；當電壓繼續(xù)上升，超過恒流二極管承受范圍，則發(fā)生過壓擊穿，電流急劇上升，實際應用中應避免出現(xiàn)這種情況[5]。

圖2 恒流二極管典型V-I特性

使用恒流二極管取代限流電阻后的基本零電流檢測電路如圖3所示。其中H為恒流二極管，以它取代原電路中的2只電阻，由于恒流二極管在承受較低電壓通過電流未達到其恒流值時表現(xiàn)出較小的電阻，使檢測電路靈敏性得到保證，當承受的電壓增大到一定程度則其中可以通過的電流被限制在一定值（比如略超過光耦轉(zhuǎn)換狀態(tài)的電流值），相當于電流恒定而阻值隨電壓升高而變大，由于電流很小，其消耗的功率也很小，以實例數(shù)據(jù)計算如下。

圖3 利用恒流二極管的零電流檢測電路

仍然同上假設交流線電壓為380 V有效值，光耦輸入端的LED工作電流以10 mA分界影響檢測電路輸出的高和低，整流橋和穩(wěn)壓二極管壓降總共為10 V，恒流二極管的恒流值為12 mA，其進入恒流的轉(zhuǎn)換電壓值為10 V，則：

當晶閘管上電壓為10+10=20 V時，通過恒流二極管的電流即達到12 mA，超過檢測電路轉(zhuǎn)換狀態(tài)的門限（10 mA），在此之前檢測電路輸出狀態(tài)就發(fā)生了轉(zhuǎn)換，表明電流過零檢測的靈敏度很高；

當晶閘管上的電壓超過 20V后，恒流二極管的電流一直維持在12 mA，即使在晶閘管一直關閉的情況下，包括恒流二極管在內(nèi)整個回路上的消耗的功率僅為P=UI=380V*12 mA=4.56 W，考慮到晶閘管導通期間電壓比較低，該功率消耗將更小，該功率消耗值與上述固定電阻時的值相差巨大，既減少了能量消耗又使得電路的尺寸和散熱問題變得很好處理。

需要指出的是，由于目前恒流二極管的耐壓值一般最高只有100 V，應用于不同電壓場合時可以使用多個恒流二極管串聯(lián)以提高整體耐壓值，這種串聯(lián)不需要均壓手段，非常方便，整體的耐壓值為各個串聯(lián)恒流二極管的耐壓值之和。由于要考慮恒流二極管承受最大電壓而不超出其承受范圍，在線電壓380 V的系統(tǒng)中需要使用至少6只100 V的恒流二極管串聯(lián)，考慮電網(wǎng)電壓波動時還需增加恒流二極管的數(shù)目。

3 結論

根據(jù)上述分析，證明使用恒流二極管代替限流電阻可以獲得提高檢測精度并降低檢測電路的功率消耗，這樣系統(tǒng)的性能可以得到提升，而且電路的尺寸和成本等還可以略有降低。

隨著相關領域的技術進步，在電路設計中采用最新的器件有時可以使電路的性能得到提升或使電路的成本下降甚至同時獲得性能的提升和成本的下降，本文介紹的恒流二極管代替限流電阻的方法正是二者兼得的一種情況，在類似電路設計中可以借鑒。

[1]馬小亮.大功率交-交變頻調(diào)速及矢量控制技術（3版）[M].北京:機械工業(yè)出版社，2003.

[2]任玉英.雙饋電機交-交變頻調(diào)速系統(tǒng)中零電流檢測電路[J].大慶石油學院學報，2001.

[3]周娟.交-交變頻器仿真與零電流檢測[J].工礦自動化，2004.

[4]秦曉平.感應電動機的雙饋調(diào)速和串級調(diào)速[M].北京:機械工業(yè)出版社，1993.

[5]張曉東.接線簡便的恒流二極管[J].無線電，2011.