一種新型SCR移相觸發(fā)控制芯片

1、    一種新型SCR移相觸發(fā)控制芯片摘要：實(shí)現(xiàn)了一種全集成可變帶寬中頻寬帶低通濾波器，討論分析了跨導(dǎo)放大器-電容(OTAC)連續(xù)時(shí)間型濾波器的結(jié)構(gòu)、設(shè)計(jì)和具體實(shí)現(xiàn)，使用外部可編程電路對(duì)所設(shè)計(jì)濾波器帶寬進(jìn)行控制，并利用ADS軟件進(jìn)行電路設(shè)計(jì)和仿真驗(yàn)證。仿真結(jié)果表明，該濾波器帶寬的可調(diào)范圍為126 MHz，阻帶抑制率大于35 dB，帶內(nèi)波紋小于05 dB，采用18 V電源，TSMC 018m CMOS工藝庫(kù)仿真，功耗小于21 mW，頻響曲線接近理想狀態(tài)。關(guān)鍵詞：Butte摘  要：針對(duì)現(xiàn)有的三相移相觸發(fā)芯片無(wú)法在較大噪聲情況下工作，以及無(wú)法適應(yīng)現(xiàn)

2、有電網(wǎng)頻率漂移的問(wèn)題，提出了一種新型的SCR移相觸發(fā)電路，具有改進(jìn)的全數(shù)字去噪功能和適應(yīng)電網(wǎng)頻率漂移功能的設(shè)計(jì)方案。通過(guò)仿真和實(shí)際測(cè)試，該觸發(fā)器能夠躲開(kāi)相對(duì)輸入信號(hào)20%的噪聲干擾，并且能在電網(wǎng)頻率47 Hz63 Hz的環(huán)境下工作，具有重要的工程應(yīng)用價(jià)值。關(guān)鍵詞：可控硅；數(shù)字移相；抖動(dòng)；全數(shù)字；頻率補(bǔ)償    隨著大功率電力電子器件的發(fā)展，晶閘管得到了廣泛的應(yīng)用，晶閘管應(yīng)用需要用觸發(fā)電路，而且大多數(shù)是用三相觸發(fā)電路。然而，市面上常見(jiàn)的三相移相觸發(fā)芯片大多數(shù)都無(wú)法在較大噪聲情況下工作，并且現(xiàn)有電網(wǎng)的頻率不是穩(wěn)定在50 Hz，而常見(jiàn)的三相移相觸發(fā)芯片中沒(méi)有適應(yīng)電網(wǎng)頻率

3、漂移的電路，從而導(dǎo)致芯片移相精度下降。本文針對(duì)XH001芯片無(wú)法在較大噪聲下工作的情況，改進(jìn)了全數(shù)字去噪電路，并且針對(duì)由于電網(wǎng)頻率漂移使芯片產(chǎn)生的觸發(fā)誤差加了頻率漂移電路，該電路同時(shí)增加了芯片的應(yīng)用范圍，如歐美60 Hz的電網(wǎng)。1 電路結(jié)構(gòu)    三相移相觸發(fā)電路中有三路功能相同的通道，其電路結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。    在工作狀態(tài)下，從AC1、AC2和AC3分別輸入一交流正弦信號(hào)，頻率為50 Hz，彼此相差120°。正弦信號(hào)通過(guò)過(guò)零比較器形成方波信號(hào)，再經(jīng)去抖動(dòng)電路消除輸入信號(hào)噪聲，生成干凈的同步方波信號(hào)，進(jìn)入頻率漂移電路和移

4、相電路。頻率漂移電路對(duì)輸入漂移的頻率進(jìn)行實(shí)時(shí)跟蹤，根據(jù)電網(wǎng)頻率漂移的變化，調(diào)整移相電路的計(jì)數(shù)時(shí)鐘頻率，減小觸發(fā)誤差。移相控制電壓由外部電壓輸入，外部輸入電壓Vcon經(jīng)過(guò)A/D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換，作為移相電路中減法計(jì)算器的初始值，當(dāng)減法計(jì)數(shù)器減為零時(shí)，產(chǎn)生一個(gè)移相脈沖，該脈沖觸發(fā)脈寬發(fā)生電路，由WS引腳控制，產(chǎn)生所需要的脈寬信號(hào)，經(jīng)調(diào)制后輸出兩路脈沖群OUT+和OUT-。圖1中的J1和J2接外部晶振，提供電路的時(shí)鐘信號(hào)。    另外，缺相保護(hù)電路可以對(duì)去抖動(dòng)電路輸出的濾掉毛刺抖動(dòng)的三相交流同步信號(hào)的相序和缺相進(jìn)行檢測(cè)，當(dāng)缺相或相序混亂時(shí)，該保護(hù)模塊將輸出控制信號(hào)，禁止輸出并

5、點(diǎn)亮相應(yīng)的LED燈，故障排除后可以通過(guò)RES對(duì)電路進(jìn)行手動(dòng)復(fù)位。其中Part13為人為保護(hù)端。2 電路設(shè)計(jì)2.1 去抖動(dòng)電路    去抖動(dòng)電路是數(shù)字三相移相觸發(fā)電路的重要部分。由于芯片在噪聲嚴(yán)重的環(huán)境中工作，導(dǎo)致了輸入波形的抖動(dòng)畸變厲害，信噪比小，加上過(guò)零比較器靈敏度比較高，速度足夠快，則輸出出現(xiàn)了由于噪聲信號(hào)在過(guò)零點(diǎn)附近反復(fù)過(guò)零造成的抖動(dòng)序列，如圖2所示。由于有了抖動(dòng)序列，再加之輸出脈沖群要在0°180°的大動(dòng)態(tài)范圍內(nèi)移動(dòng)，因此導(dǎo)致了多余的尖脈沖，而移相電路中的邏輯無(wú)法消除這些多余的脈沖，故在不該出現(xiàn)脈沖群的地方出現(xiàn)了脈沖群，嚴(yán)重影響功率器件

6、的正常運(yùn)轉(zhuǎn)。    目前市場(chǎng)上主流的SCR移相觸發(fā)控制芯片是XH001，該芯片上的去抖動(dòng)電路是應(yīng)用單穩(wěn)態(tài)電路的采樣、保持原理，用電容的充放電達(dá)到將原先的信號(hào)“部分”地、“有選擇”地還原2。芯片XH001中去抖動(dòng)電路需要用到的電容并不是芯片自帶的電容，而是應(yīng)用時(shí)在外圍電路加上的電容，應(yīng)用復(fù)雜，有必要將芯片中去抖動(dòng)電路改進(jìn)為全數(shù)字去抖動(dòng)電路，簡(jiǎn)化應(yīng)用。    圖3是改進(jìn)后的全數(shù)字去抖動(dòng)電路的原理圖，三相交流同步信號(hào)經(jīng)過(guò)過(guò)零比較器之后，通過(guò)觸發(fā)器使其與內(nèi)部時(shí)鐘同步，圖3中的電路A部分是邊緣檢測(cè)電路，其功能是利用三相交流同步信號(hào)所有的上升沿和

7、下降沿產(chǎn)生小脈沖，并將這些脈沖作為電路A部分輸出。這些輸出信號(hào)進(jìn)入觸發(fā)器B，作為其時(shí)鐘信號(hào)，實(shí)現(xiàn)去抖動(dòng)功能。當(dāng)?shù)谝粋€(gè)脈沖到來(lái)時(shí)，觸發(fā)器B輸出高電平，同時(shí)啟動(dòng)減法計(jì)算器subtraction進(jìn)行減法計(jì)數(shù)。為了躲開(kāi)輸入信號(hào)過(guò)零點(diǎn)附近約4 ms的噪聲干擾，減法計(jì)算器的預(yù)置數(shù)為4，計(jì)數(shù)頻率為1 000 Hz，當(dāng)減法計(jì)算器減為零時(shí)，輸出CO信號(hào)，觸發(fā)器B復(fù)位，輸出低電平。再利用該輸出信號(hào)作為時(shí)鐘信號(hào)對(duì)三相交流同步信號(hào)采樣，達(dá)到濾除信號(hào)中所有的毛刺抖動(dòng)部分的目的。    去抖動(dòng)前后的波形如圖4所示，/net217為輸入的其中一路方波信號(hào)，/net206為經(jīng)過(guò)去抖動(dòng)電路的輸出。

8、由圖4可以看出，上升沿下降沿的抖動(dòng)序列經(jīng)過(guò)全數(shù)字去抖動(dòng)電路后輸出無(wú)抖動(dòng)序列的干凈波形。2.2 移相電路    移相電路是數(shù)字三相移相觸發(fā)電路的主要部分，其原理如圖5所示，上升沿和下降沿檢測(cè)電路檢測(cè)出輸入的同步方波的上升沿和下降沿，產(chǎn)生的兩個(gè)尖脈沖分別對(duì)應(yīng)同步方波信號(hào)正負(fù)半周的觸發(fā)信號(hào)。采用該觸發(fā)信號(hào)啟動(dòng)減法計(jì)數(shù)器開(kāi)始減法計(jì)數(shù)，輸入的直流電平Vcon通過(guò)A/D變換形成的數(shù)字量作為減法計(jì)算器的初值。當(dāng)計(jì)算器減為零時(shí)，則產(chǎn)生移相后的尖脈沖觸發(fā)信號(hào)，實(shí)現(xiàn)控制相位的目的。    移相觸發(fā)電路的一個(gè)重要性能參數(shù)是能對(duì)輸入的47 Hz63 Hz三相

9、同步信號(hào)進(jìn)行識(shí)別，能夠?qū)斎肫频念l率進(jìn)行實(shí)時(shí)跟蹤，以減小觸發(fā)誤差3。在這個(gè)設(shè)計(jì)指標(biāo)下，本文在芯片XH001的基礎(chǔ)上加入頻率漂移析出模塊，其原理圖如圖6所示。輸入的同步信號(hào)經(jīng)過(guò)過(guò)零比較器輸出矩形波，由CLOCK信號(hào)進(jìn)行脈寬計(jì)數(shù)。計(jì)數(shù)器置一初值，當(dāng)矩形波由高變低時(shí)，計(jì)數(shù)器計(jì)數(shù)完畢，此時(shí)寄存器存儲(chǔ)的數(shù)值即為頻漂的數(shù)字量。由該數(shù)字量控制分頻比，形成CLKCTR信號(hào)。CLKCTR與CLOCK經(jīng)過(guò)邏輯電路，形成CLK，在原CLOCK的基礎(chǔ)上按照一定的比例扣除或者增加幾個(gè)脈沖，使移相電路在計(jì)數(shù)時(shí)能夠減緩和提高計(jì)數(shù)的速度。    對(duì)頻率漂移電路進(jìn)行仿真，仿真時(shí)Vcon電壓均采用

10、0 V, 即移相0°，圖7是無(wú)頻率漂移電路的仿真模型，可以看到移相輸出出現(xiàn)了漂移，不在是0°；圖8是有頻率漂移電路的仿真模型，可以看到移相輸出的相位是正常的。3 測(cè)試結(jié)果3.1 噪聲抑制測(cè)試    改進(jìn)的芯片經(jīng)過(guò)流片可以看出抖動(dòng)問(wèn)題得到很好的解決。圖9是無(wú)去抖動(dòng)電路的波形，圖10是有去抖動(dòng)電路的波形。從兩幅圖的對(duì)比可以看出：輸出的脈沖群在負(fù)半周多余的脈沖已經(jīng)去掉，去抖動(dòng)電路的效果顯而易見(jiàn)。3.2 頻率漂移抑制測(cè)試    對(duì)取樣補(bǔ)償頻漂進(jìn)行測(cè)試(測(cè)試時(shí)Vcon電壓均采用2.5 V，即移相90°），沒(méi)有加取樣

11、補(bǔ)償頻漂電路的波形如圖11和圖12所示，加取樣補(bǔ)償頻漂電路后測(cè)試時(shí)記錄下的波形如圖13和圖14所示。圖11中未移相到90°就觸發(fā)輸出脈沖群，圖12中移相超過(guò)90°才觸發(fā)輸出脈沖群，而圖13和圖14中剛好移相到90°觸發(fā)輸出脈沖群，其改進(jìn)觸發(fā)誤差效果明顯。因此證明了取樣補(bǔ)償電路對(duì)削減觸發(fā)誤差的功用。沒(méi)有加取樣補(bǔ)償頻漂電路，隨著輸入頻率的改變，輸出脈沖群的前沿與正弦波的過(guò)零點(diǎn)的距離保持恒定，說(shuō)明只要控制的直流電平不變，則移相的絕對(duì)時(shí)間不變，這是應(yīng)該避免的問(wèn)題。而在測(cè)試時(shí)消除了該問(wèn)題，移動(dòng)的絕對(duì)時(shí)間隨著輸入的頻率的改變而改變，而移相度數(shù)保持恒定。    本文電路完全由數(shù)字電路組成，易于集成，對(duì)集成電路的工藝要求不高，產(chǎn)品的成品率高，而且電路簡(jiǎn)單，成本（芯片面積、調(diào)試成本）并沒(méi)有增加很多，性能優(yōu)越，具有重要的工程應(yīng)用價(jià)值。參考文獻(xiàn)1 馮暉，吳杰，韓志剛一種數(shù)字控制的三相移相觸發(fā)電路J國(guó)外電子元器件，2008，(12)：21-232 湯煒，林爭(zhēng)輝，