一种晶闸管自然关断点检测判断方法

摘要：串联逆变器工作在谐振状态时，极易实现开关元件的自然关断，不仅可以省去开关元件关断驱动电路，简化逆变器设计，同时开关元件的开关损耗也达到最小。为了确保半桥串联逆变器工作在谐振状态，使其开关元件工作在自然换向状态，利用过零点和峰值双要素检测方法判断逆变电路开关元件是否自然关断，进而控制开关元件开关的工作点，使逆变电路工作在谐振状态。
关键词：半桥串联谐振逆变器；峰值检测；过零点检测；谐振频率

0 引言
与并联逆变器相比，串联逆变器启动容易，适合于频繁启动的场合，在中频感应加热电源中有着广泛的应用。其中，半桥串联逆变器仅由上、下两个桥臂组成，每个桥臂有一个开关元件承受最高电压，与全桥串联逆变器相同，电路结构简单，驱动功率小。若半桥串联逆变器采用晶闸管为开关元件，通常需采用关断电路控制晶闸管的关断。然而半桥串联逆变器工作在谐振状态时，逆变电流以正弦波形式变化，当逆变电流减小到零时，晶闸管能够实现自然关断，不仅省去晶闸管关断电路，简化了控制电路，开关损耗也达到最小。
本文研究一种过零点和峰值的双要素检测方法，对半桥串联谐振逆变电路负载电流的过零点和峰值(波峰或波谷)进行检测，通过对电流过零点的检测以及峰值时间的检测来判断导通晶闸管是否关断，达到去除过零点检测电路在零点处的波动干扰，准确判断晶闸管的自然关断点时间的目的。这样就可以避免导通晶闸管自然关断前触发导通桥臂另一端的晶闸管，避免了晶闸管的直通现象，使逆变器工作在谐振状态。

1 半桥串联谐振逆变器工作原理
半桥串联谐振逆变电路工作原理如图1所示。图中L为逆变器的等效谐振电感，谐振电容C1=C2=C，R为等效电阻。当触发导通晶闸管SCR1时，直流电源通过SCR1、负载电阻R、谐振电感L对电容C2充电，同时C1通过L，R放电。电容C2上电压逐渐增加，电流也将逐渐增加，而且是按照一个衰减正弦波的上升部分增加。当C2的充电电压充电到最大值E后，流过SCR1的电流逐渐减小为零，SCR1自然关断，其等效电路如图2(a)所示。逆变电流变化趋势形成一个正弦波的正半周，其波形如图3中iSCR1所示。由于此时C1的振荡电压充电到负峰值，所以SCR1承受负压值，负压峰值近似为C1上的负压峰值电压。

在SCR1自然关断后，可以触发SCR2导通，其电容C1与C2充放电正好相反，工作过程分析与SCR1导通时类似，等效电路如图2(b)所示，逆变电流变化趋势形成一个正弦波的负半周，其波形如图3中iSCR2所示。C1与C2交替振荡的结果输出类似正弦波的电压。

SCR1半桥串联谐振逆变回路负载为欠阻尼状态，电路处于谐振状态，半桥串联谐振逆变回路中晶闸管工作在自然换向状态时的波形图如图3所示。在SCR1导通时，通过SCR1流向负载的电流波形为iSCR1，假设SCR1导通时负载电压为正，随着C1不断的放电，电流iSCR1不断增大，电流iSCR1在最大值时，由放电回路电流的频率特性可知，负载回路工作在谐振频率f0。C1放电完毕后，在t1时刻，电流iSCR1为零，SCR1自然关断。SCR1自然关断后，发送一个触发脉冲，在t2时刻导通SCR2，流过SCR2的电流iSCR2同iSCR1一样，从零一直减小到负的最大值，在负的最大值时刻负载回路工作在谐振频率f0。C2放电结束后，电流iSCR2减小到零，SCR2在t3时刻自然关断，完成一个周期。下一周期SCR1在t4时刻导通，循环以上过程。

2 过零点检测和峰值检测原理
由半桥串联谐振逆变器工作原理可以知道，负载电流达到最大值时，电压uR达到峰值时，此时负载回路达到谐振状态。将负载电流波形信号通过电流传感器转变为电压信号，输入到过零点检测电路与峰值检测电路，检测每一个过零点和峰值，发送信号到微处理器，从而得到每一次达到峰值和过零点的时刻，根据过零点时刻与峰值时刻的关系，准确判断晶闸管的自然关断点，控制晶闸管触发脉冲的发送。

过零点检测电路简化原理图如图4所示，该电路实际是一个倒向放大器，电容C4用作正补偿以增加检测速度。当输出为负时，二极管D5导通，输出为正时，稳压二极管D7和二极管D6导通。负载电流信号通过电流传感器转变为一个电压信号后，输入到过零点检测电路，当信号波形在正半周时，过零检测电路Vo2输出为高电平，当信号经过零点处于负半周时，Vo2输出为低电平。在负载电流过零点处，Vo2的电平发生跳变，当负载电流波形由正到负经过零点时，Vo2输出变化是一个负跳变脉冲，当负载电流由负到正经过零点时，Vo2输出变化是一个正跳变脉冲。

峰值检测电路原理图如图5所示，它由两个运算放大器和两个晶体管构成。运算放大器U1A用来比较输入和输出信号，如果输入信号Vi大于输出信号Vo1，电容C3通过晶体管Q2通路充电，只有当输出信号和输入信号相等时充电才会停止，并且保持这个值。开关S是一个复位开关，当S接通Q2的发射极时，电路跟踪检测到波峰值；当S接通Q1的发射极时，电路跟踪检测到波谷值。
峰值检测电路中开关S有一个开关控制电路，由组合逻辑电路构成。当Vo1输出波峰信号时，开关控制电路接收到高电平信号，控制开关接通波谷检测端；当Vo1输出波谷信号时，开关控制电路接收到低电平信号，控制开关接通波峰检测端。采用这种开关控制方式可以减少信号的延迟时间，快速实现波峰与波谷检测的切换。过零点检测电路与峰值检测电路输出脉冲信号图如图6所示，启动过零点检测电路与峰值检测电路时，发送一个信号到微控制器，计时器开始计时，此时过零点时间tp=0，负载电流由零逐渐增大，当检测到波峰值时，Vo1输出信号为正的宽脉冲，在脉冲上升沿读取微控制器计时器的值tmax，tmax-tp=T／4，其中T为周期。过零点检测电路检测负载电流过零点，Vo2输出为负的窄脉冲，此时读计时器得到一个过零点时间tn，若tn-tmax≥tmax-tp，则说明负载电流经过零点，晶闸管SCR1已经自然关断，微控制器可以发送晶闸管触发脉冲，触发另一只晶闸管导通。

峰值检测电路检测到波谷值时，Vo1输出信号为负的宽脉冲，在脉冲下降沿时读取微控制器计时器的值tmin，同样tmin-tn=T／4，过零点检测电路检测负载电流过零点，Vo2输出为负的窄脉冲，此时读计时器得到一个过零点时间tp，若tp-tmin≥tmin-tn，则说明负载电流经过零点，晶闸管SCR2已经自然关断。利用峰值检测与过零点检测两个重要因素判断晶闸管的自然关断时间点，两只晶闸管轮流导通，工作在自然换向状态，使开关损耗减小为零。

3 判断晶闸管自然关断时间点实验结果
对电流过零点检测与峰值检测的双要素检测方法进行仿真实验，得出其结果如图7所示。

从图7(a)可以看出，负载电流波形为正时，过零点检测电路的输出Vo2为高电平，负载电流波形为负时，过零点检测电路的输出Vo2为低电平。负载电流由正变负时，Vo2输出产生一个正向脉冲；负载电流由负变正时，Vo2输出产生一个负脉冲。
从图7(b)可以看出，峰值检测电路首先对波峰值进行跟踪检测，检测到输入信号的波峰值后，逻辑组合电路得到一个高电平信号，控制开关S接通波谷值检测端，峰值检测电路开始对波谷值进行跟踪检测，检测到波谷值后，逻辑组合电路得到一个低电平信号，控制开关S接通波峰值检测端。逻辑组合电路在检测到峰值后，在下一个峰值到达之前实现对开关S的控制，使峰值检测电路可以检测到下一个峰值。
过零点与峰值检测方法根据检测到过零点与峰值时间点的关系，准确判断晶闸管自然关断点，从而使晶闸管轮流导通的频率随着负载谐振频率的变化而变化，使晶闸管工作在自然换向状态，在实际电路中证明了该方法检测效果较好。

4 结语
过零点检测电路在检测过零点时，由于关断延时时间的限制，在晶闸管未彻底关断时，容易产生误差信号，过零点检测此时不稳定。为防止晶闸管提前触发，采用峰值检测电路辅助检测，根据零点与峰值两个重要因素的时间点关系，去除过零点检测电路在过零点处的干扰，准确判断出品闸管的自然管断点，从而确保半桥串联谐振逆变器中晶闸管工作在自然换向状态，防止发生直通现象。这种晶闸管自然管断点的判断方法也可以拓展到全桥串联以及并联逆变电路中，在感应加热电源的应用领域具有重要的意义。