交流电力电子开关优化：新篇章

交流电力电子开关只要求控制通断，并不控制电路的平均输出功率。通常没有明确的控制周期，只根据需要控制电路的接通和断开。交流开关可用两只普通晶闸管或者两只自关断电力电子器件反并联组成；也可以用一只双向晶闸管代替两只反向并联普通晶闸管，使电路大大简化。用双向晶闸管组成的交流开关电路，在调光、控温、小容量电动机的调速及大容量异步电动机的软启动等场合得到广泛应用。

1.晶闸管交流开关的基本形式

晶闸管交流开关是以其门极中毫安级的触发电流，来控制其阳极中几安至几百安大电流通断的装置。在电源电压为正半周时，晶闸管承受正向电压并触发导通，在电源电压过零或为负时晶闸管承受反向电压，在电流过零时自然关断。由于晶闸管总是在电流过零时关断，因而，在关断时不会因负载或线路中电感储能而造成暂态过电压。图4－21所示为几种晶闸管交流开关的基本形式。将电路接通几个周波，然后断开几个周波，通过改变晶闸管在设定周期内通断时间的比例，达到调节负载两端交流电压有效值即负载功率的目的。

图4－21　晶闸管交流开关的基本形式

图4－22　全周波过零触发输出电压波形

（a）全周波连续式；（b）全周波断续式

如在设定周期TC 内导通的周波数为n，每个周波的周期为T （50 Hz，T＝20 ms），则调功器的输出功率

调功器输出电压有效值

式中，Pn、Un为在设定周期TC 内晶闸管全导通时调功器输出的功率与电压有效值。

显然，改变导通的周波数n就可改变输出电压或功率。

调功器可以用双向晶闸管，也可以用两只晶闸管反并联连接，其触发电路可以采用集成过零触发器，也可利用分立元件组成的过零触发电路。图4－23所示为全周波连续式的过零触发电路。电路由锯齿波产生器、信号综合、直流开关、同步电压与过零脉冲输出5个环节组成。

图4－23　过零触发电路

（1）锯齿波是由单结晶体管VT6和R1、R2、R3、RP1和C1组成张弛振荡器产生的，经射极跟随器（VT1、R4）输出。其波形如图4－24（a）所示。锯齿波的底宽对应着一定的时间间隔（TC）。调节电位器RP1即可改变锯齿波的斜率。由于单结晶体管的分压比一定，故电容C1 放电电压为一定，斜率的减小，就意味着锯齿波底宽增大（TC 增大），反之，底宽减小。(www.xing528.com)

（2）控制电压（UC）与锯齿波电压进行叠加后送至VT2 基极，合成电压为us。当us >0 （0.7 V）时，则VT2 导通；当us <0 时，则VT2 截止，如图4－24（b）所示。

（3）由VT2、VT3及R8、R9、VD6组成一直流开关。当VT2 基极电压Ube2 >0 （0.7 V）时，VT2 管导通，Ube3 接近零电位，VT3管截止，直流开关阻断。

当Ube2 < 0 时，VT2 截止，由R8、VD6和R9 组成的分压电路使VT3 导通，直流开关导通，输出24 V 直流电压，VT3 通断时刻如图4－24（c）所示。VD6为VT3基极提供一阈值电压，使VT2导通时，VT3更可靠地截止。

（4）过零脉冲输出。由同步变压器TS，整流桥VD1～VD4及R10、R11、VD5组成一削波同步电源uT，如图4－24（d）所示。它与直流开关输出电压共同去控制VT4和VT5，只有在直流开关导通期间，VT4 和VT5 集电极和发射极之间才有工作电压，才能进行工作。在这期间，同步电压每次过零时，VT4 截止，其集电极输出一正电压，使VT5由截止转为导通，经脉冲变压器输出触发脉冲。此脉冲使晶闸管导通，如图4－24（e）所示。于是在直流开关导通期间，便输出连续的正弦波uL，如图4－24（f）所示。增大控制电压，便可加长开关导通的时间，也就增多了导通的周波数，从而增加了输出的平均功率。

图4－24　过零触发电路的电压波形

过零触发虽然没有移相触发高频干扰的问题，但其通断频率比电源频率低，特别是当通断比较小时，会出现低频干扰，使照明出现人眼能觉察到的闪烁、电表指针的摇摆等。所以调功器通常用于热惯性较大的电热负载。

3.固态开关

固态开关也称为固态继电器或固态接触器。它是以双向晶闸管为基础构成的无触点通断电子开关，是一种4 端有源器件。其中两个端子为输入控制端，另外两个端子为输出受控端。为实现输入与输出之间的电气隔离，器件采用了高耐压的专用光耦合器。当施加输入信号后，其主电路是导通状态，无信号时呈阻断状态。整个器件无可动部件及触点，实现了相当于电磁继电器一样的功能。

由于固态继电器是由固体器件组成的无触点开关器件，所以它较之电磁继电器具有工作可靠、寿命长、对外界干扰小、能与逻辑电路兼容、抗干扰能力强及开关速度快等一系列优点，具有很广泛的应用领域，并可进一步扩展应用到传统的电磁继电器无法工作的领域，如计算机、可编程控制器的输入/输出接口，计算机外围和终端设备、机械控制、保护系统、灯光控制、驱动控制中间继电器、电磁阀、电动机的驱动及温控等，有逐步取代传统的电磁继电器的趋势。

固态继电器是将MOSFET、GTR、普通晶闸管或双向晶闸管等按一定的电路组合在一起，并与触发驱动电路封装在一个外壳中的模块，而且驱动电路与输出电路隔离。固态继电器有直流和交流两类。交流固态继电器又有单相和三相之分。

图4－25（a）所示为采用光电三极管耦合器的“0” 压固态开关内部电路。1、2 为输入端，相当于继电器或接触器的线圈；3、4 为输出端，相当于继电器或接触器的一对触点，与负载串联后接到交流电源上。

图4－25　固态开关

输入端接上控制电压，使发光二极管VD2发光，光敏管VT1阻值减小，使原来导通的晶体管VT2截止，原来阻断的晶闸管VT11通过R4被触发导通。输出端交流电源通过负载、二极管VD3～VD6、VT11以及R5构成通路，在电阻R5上产生电压降作为双向晶闸管VT22的触发信号，使VT22导通，负载得电。由于VT22 的导通区域处于电源电压的“0” 点附近，因而具有“0” 电压开关功能。

图4－25（b）所示为光电晶闸管耦合器“0” 电压开关。由输入端1、2 输入信号，光电晶闸管耦合器B 中的光控晶闸管导通；电流经3→VD4 →B→VD1 →R4 →4 构成回路；借助R4上的电压降向双向晶闸管VT11的控制极提供分流，使VT11 导通。由R3、R2 与VT组成“0” 电压开关功能电路。即当电源电压过“0” 并升至一定幅值时，VT 导通，光控晶闸管则被关断。

图4－25（c）所示为光电双向晶闸管耦合器非“0” 电压开关。由输入端1、2 输入信号时，光电双向晶闸管耦合器B 导通；电流经3→R2 →B→R3 →4 形成回路，R3 提供双向晶闸管VT11的触发信号。这种电路相对于输入信号的任意相位，交流电源均可同步接通，因而称为非“0” 电压开关。

固态开关一般采用环氧树脂封装，具有体积小、工作频率高的特点，适用于频繁工作或潮湿、有腐蚀性及易燃的环境中。