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：針對現(xiàn)有的三相移相觸發(fā)芯片無法在較大噪聲情況下工作，以及無法適應(yīng)現(xiàn)

2、有電網(wǎng)頻率漂移的問題，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。通過仿真和實(shí)際測試，該觸發(fā)器能夠躲開相對輸入信號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；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，市面上常見的三相移相觸發(fā)芯片大多數(shù)都無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，而常見的三相移相觸發(fā)芯片中沒有適應(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XH001芯片無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，頻率為50 Hz，彼此相差120°。正弦信號通過過零比較器形成方波信號，再經(jīng)去抖動電路消除輸入信號噪聲，生成干凈的同步方波信號，進(jìn)入頻率漂移電路和移

4、相電路。頻率漂移電路對輸入漂移的頻率進(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，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。    另外，缺相保護(hù)電路可以對去抖動電路輸出的濾掉毛刺抖動的三相交流同步信號的相序和缺相進(jìn)行檢測，當(dāng)缺相或相序混亂時(shí)，該保護(hù)模塊將輸出控制信號，禁止輸出并

5、點(diǎn)亮相應(yīng)的LED燈，故障排除后可以通過RES對電路進(jìn)行手動復(fù)位。其中Part13為人為保護(hù)端。2 電路設(shè)計(jì)2.1 去抖動電路    去抖動電路是數(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畸變厲害，信噪比小，加上過零比較器靈敏度比較高，速度足夠快，則輸出出現(xiàn)了由于噪聲信號在過零點(diǎn)附近反復(fù)過零造成的抖動序列，如圖2所示。由于有了抖動序列，再加之輸出脈沖群要在0°180°的大動態(tài)范圍內(nèi)移動，因此導(dǎo)致了多余的尖脈沖，而移相電路中的邏輯無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)。    目前市場上主流的SCR移相觸發(fā)控制芯片是XH001，該芯片上的去抖動電路是應(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“部分”地、“有選擇”地還原2。芯片XH001中去抖動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電路改進(jìn)為全數(shù)字去抖動電路，簡化應(yīng)用。    圖3是改進(jìn)后的全數(shù)字去抖動電路的原理圖，三相交流同步信號經(jīng)過過零比較器之后，通過觸發(fā)器使其與內(nèi)部時(shí)鐘同步，圖3中的電路A部分是邊緣檢測電路，其功能是利用三相交流同步信號所有的上升沿和

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。這些輸出信號進(jìn)入觸發(fā)器B，作為其時(shí)鐘信號，實(shí)現(xiàn)去抖動功能。當(dāng)?shù)谝粋€(gè)脈沖到來時(shí)，觸發(fā)器B輸出高電平，同時(shí)啟動減法計(jì)算器subtraction進(jìn)行減法計(jì)數(shù)。為了躲開輸入信號過零點(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，觸發(fā)器B復(fù)位，輸出低電平。再利用該輸出信號作為時(shí)鐘信號對三相交流同步信號采樣，達(dá)到濾除信號中所有的毛刺抖動部分的目的。    去抖動前后的波形如圖4所示，/net217為輸入的其中一路方波信號，/net206為經(jīng)過去抖動電路的輸出。

8、由圖4可以看出，上升沿下降沿的抖動序列經(jīng)過全數(shù)字去抖動電路后輸出無抖動序列的干凈波形。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電路檢測出輸入的同步方波的上升沿和下降沿，產(chǎn)生的兩個(gè)尖脈沖分別對應(yīng)同步方波信號正負(fù)半周的觸發(fā)信號。采用該觸發(fā)信號啟動減法計(jì)數(shù)器開始減法計(jì)數(shù)，輸入的直流電平Vcon通過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，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)是能對輸入的47 Hz63 Hz三相

9、同步信號進(jìn)行識別，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。輸入的同步信號經(jīng)過過零比較器輸出矩形波，由CLOCK信號進(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。CLKCTR與CLOCK經(jīng)過邏輯電路，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 測試結(jié)果3.1 噪聲抑制測試    改進(jìn)的芯片經(jīng)過流片可以看出抖動問題得到很好的解決。圖9是無去抖動電路的波形，圖10是有去抖動電路的波形。從兩幅圖的對比可以看出：輸出的脈沖群在負(fù)半周多余的脈沖已經(jīng)去掉，去抖動電路的效果顯而易見。3.2 頻率漂移抑制測試    對取樣補(bǔ)償頻漂進(jìn)行測試(測試時(shí)Vcon電壓均采用2.5 V，即移相90°），沒有加取樣

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)償電路對削減觸發(fā)誤差的功用。沒有加取樣補(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零點(diǎn)的距離保持恒定，說明只要控制的直流電平不變，則移相的絕對時(shí)間不變，這是應(yīng)該避免的問題。而在測試時(shí)消除了該問題，移動的絕對時(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，對集成電路的工藝要求不高，產(chǎn)品的成品率高，而且電路簡單，成本（芯片面積、調(diào)試成本）并沒有增加很多，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國外電子元器件，2008，(12)：21-232 湯煒，林爭輝，