專利名稱：零電位軟啟動橋式整流一體化組(器)件(軟橋)的制作方法
技術領域：
本發明屬于電子器件領域，涉及一種對正弦交流電源進行全波整流的零電位軟啟動橋式整流一體化、系列化組(器)件產品。
在電子整流器件中，人們最熟悉的是由四只二極管相互連接構成的橋式整流器。長期以來，橋式整流方式，因電路結構簡單，整流性能優越，獲得了廣泛的應用，是電子整流技術的主要理論支柱。但是，橋式整流方式，在電容性負載情況下，自身無法解決電路合閘瞬間的浪涌電流問題，需要借助一定的輔助電路進行“軟啟動”。
為便于說明，現將橋式整流器及相關的軟啟動電路聯合在一起研究，并作如下劃分1、把四只二極管相互連接構成的傳統橋式整流器稱為“硬橋”；2、把能夠對“硬橋”起扼制浪涌電流作用，但無法實現從零電位起始輸出脈動直流電壓的軟啟動措施稱為“準軟啟動方式”；3、把合閘后，一定從隨后的交流電某次零電位時起，開始脈動直流電壓輸出，而且具有“硬橋”用法特征的軟啟動橋式整流一體化電路，稱為“軟橋”。
從事本領域研究的技術人員都知道，將正弦交流電源轉換成平穩的直流電源，是電子工程中電源轉換技術的基本內容，是一項非常重要的工作。在交直流電源轉換方式中，最廣泛應用的方案是“硬橋”整流加電容器濾波、再經開關電路或線性電路穩壓。由于“硬橋”整流、電容器濾波電路在開機時，如果交流電瞬間電位正處于較高值，將產生較大的浪涌電流，當浪涌電流很大時會帶來如下壞處一、燒壞電源開關觸點；二、對整流器二極管電流容量要求大；三、加速濾波電容器老化；四、難以合理選擇電源保險絲容量。因此，工程上必須采取一定的“軟啟動”措施，以扼制較大的浪涌電流。
關于“軟啟動”方式，《新型開關電源及其應用》(何1才編著，人民郵電出版社出版發行，1996年5月第1版，1997年4月北京第2次印刷，書號ISBN7-06096-7/TN·1074)一書，在第六章開關電源電路設計(第48-82頁)，6-5開關電源輸入回路的設計(第76-82頁)二、沖擊電流抑制回路的設計(第79-80頁)中，歸納了四種其中(a)串聯電阻方式；(b)功率熱敏電阻方式；(c)雙向可控硅開關元件方式；(d)晶閘管方式。《開關電源的設計與應用》(趙效敏編，上海科學普及出版社出版，1995年9月第1版，1996年2月第2次印刷，書號ISBN 7-5427-0935-6/TN·15，〈滬)新登字第305號)一書，在第六章，最新開關電源元器件的特性與應用(第219-281頁)，一、輸入橋式二極管(第219-223頁)3、未來的輸入橋式整流二極管(第221-222頁)中，也提出了晶閘管方式。
就國內外在這一領域的現狀和研究成果來看，目前，實現“軟啟動”的主要技術方案可以歸納為三種第一種，當輸出功率較低時，在濾波電容器輸入側回路中直接串接限流電阻器；第二種，當輸出功率較大時，在限流電阻器兩端并接繼電器開關，繼電器開關在電源輸出基本平穩時將限流電阻器短路，以避免電阻器消耗功率；第三種，如果輸出功率較大，使用繼電器在結構上不方便，通常用晶閘管替代繼電器。以上三種方案雖然能夠在一定程度上比較有效地扼制浪涌電流，但由于采用限流的方法，從本質上講，仍是一種被動的措施。在實際應用中，上述方案存在著以下四點實質性缺陷第一、需要一個較大功率的電阻器；第二、繼電器和晶閘管控制信號需從電源輸出端取得；第三、繼電器體積較大，不便做成集成電路，而晶閘管及相應的控制電路，如果采用分立元件方案，會使電路結構松散，如果與其它電路一起做成集成電路，又有引腳多，功耗大等麻煩；第四、最重要的問題是三個軟啟動方案均無法實現脈動直流電源輸出從交流電零電位時起始，其“軟啟動”是相對的，是“準軟啟動方式”。經檢索，目前國內外尚無更好的辦法解決浪涌電流問題，以實現真正意義上的“軟啟動”。
隨著電子信息產業的蓬勃發展，特別是開關電源的廣泛應用，并逐步向中大功率方向發展，而開關電源的輸入側電源，通常是直接對電網交流電進行全波整流，再用電容器進行平滑濾波的，開關電源功率越大，合閘時瞬間浪涌電流大的矛盾就越突出，迫切要求深入研究和大量生產制造真正能夠從零電位開始整流輸出的“軟橋”，以滿足各種電器產品制造之需。
本發明的任務是設計一種可以實現從零電位軟啟動，合閘時不產生浪涌電流，能滿足各種電器產品制造需要的“軟橋”。
本發明技術方案是由“雙橋整流電路”(1)、“直流電源電路”(2)、“零電位識別電路”(3)、“觸發電路”(4)、“晶閘管開關電路”(5)相互連接組成。整流電路合閘工作時，不論合閘時交流電瞬間電位如何，組件脈動直流電壓輸出，總是在合閘后，又經交流電若干周期的某一次零電位起始的，實現了真正意義下的“零電位軟啟動”輸出，電性能更加安全可靠。
本發明具體技術方案如下1、通常，橋式整流器輸出端與平滑濾波電容器及負載電路相并聯。把整流器輸出端作為一個二端網絡單元，把平滑濾波電容器與負載電路相并聯后的電路作為另一個二端網絡單元，則，這兩個二端網絡構成一個閉合的回路。如果在這個閉合的回路中串聯接入一只單向晶閘管構成的“晶閘管電子開關”，就可以借助對晶閘管工作狀態的控制，實現對整流回路導通情況的控制。由于橋式整流器輸入端經合閘接入交流電時，相應時刻的交流電瞬間電位是不可預知的，為防止合閘瞬間，因交流電瞬間電位較高，在整流器輸出回路中產生很大的浪涌電流，應該讓晶閘管在合閘瞬間不導通，何時可以導通，由特定的電路自動識別并選定，如果選擇在全波整流輸出的直流脈動信號電位由高向低過渡并接近于零電位時，讓晶閘管導通，由于此時的整流濾波回路是從下一個脈動信號零電位時開始導通的，所以不會產生瞬間浪涌電流。這樣，晶閘管就具有兩個基本特征第一，晶閘管作為一個獨立的電子開關，不依賴于其它元器件；第二，晶閘管電子開關只在脈動直流電壓回零時才讓整流回路合閘導通。
2、晶閘管導通與否，由“零電位識別電路”決定，“零電位識別電路”以某一個確定的較低電位為參考點，當檢測到脈動直流電壓瞬時電位高于參考電位時，輸出零電平，而低于參考電位時輸出高電平。從時域概念上講，就是在全波整流器輸出的脈動直流電壓兩個脈動信號之間，產生一個正向的零電位識別窄脈沖信號，對這個信號進行適當處理后，可以用來控制晶閘管，決定橋式整流器是否真正從零電位開始軟啟動輸出。
3、由于“零電位識別電路”產生的觸發脈沖寬度很窄，在這個正向脈沖持續期間，相對應的全波整流器輸出的脈動直流電壓，正處于兩個脈動信號之間的零伏左右的很低電位，可能因為導通電流很小，不能保證晶閘管在被觸發后保持導通；另一方面，正常充電期間如果因某種原因使交流電電壓伏度突然瞬間變小，低于平滑電容器的剩余電壓，這時，如果觸發脈沖已經消失了，會導至晶閘管被關閉。所以，有必要設置一個“觸發電路”來接受并保持觸發信號，讓控制晶閘管的觸發信號一直保持高電平，使晶閘管始終處于被觸發狀態。4、“觸發電路”和“零電位識別電路”的正常工作，都需要“直流電源”供電，直流電源可以直接通過對交流電的整流、濾波和穩壓來獲得。5、設計一個“雙橋整流電路”，其中，主整流橋是大電流橋式整流器，其輸出端與平滑濾波電容器和負載電路相并聯后的電路及再相串聯的晶閘管電子開關，構成相應的電源回路；副整流橋是小電流橋式整流器，其輸出端，一路給“零電位識別電路”提供取樣信號，另一路經電阻器降壓、電容器濾波、穩壓管穩壓，獲得直流電源，給“觸發電路”和“零電位識別電路”供電。
綜上所述，零電位軟啟動橋式整流一體化組(器)件(軟橋)，完整電路的技術方案應該由，一、“雙橋整流電路”，二、“直流電源電路”，三、“零電位識別電路”，四、“觸發電路”，五、“晶閘管電子開關電路”，共五個電路部分組成。工作方式是，交流電經“雙橋整流電路”兩路全波整流后，獲得一組大電流脈動直流電源，其輸出和“負載電路”與“晶閘管電子開關”相串聯的電路構成回路，另一組小電流脈動直流電源，分別送給“零電位識別電路”及“直流電源電路”。“直流電源電路”向“零電位識別電路”及“觸發電路”供電。“零電位識別電路”產生觸發脈沖后，送給“觸發電路”。“觸發電路”接受觸發脈沖，經變換和保持，形成持續高電位觸發信號，觸發晶閘管導通。
下面給出本發明的圖。
圖1，是“零電位軟啟動橋式整流一體化組(器)件(軟橋)”的技術方案方框圖。
圖中，(1)是“雙橋整流電路”；(2)是“直流電源電路”；(3)是“零電位識別電路”；(4)是“觸發電路”；(5)是“晶閘管電子開關電路”；(6)是“負載電路”。
圖2，是“零電位軟啟動橋式整流一體化組(器)件(軟橋)”實施例電路3，是實施例電路工作波形圖。
下面介紹
具體實施例方式
基于上述技術方案，作為本發明的實施例。可供應用的主要技術指標和實施條件是1、輸入交流電壓220伏(≥60伏時，零電位軟啟動整流有效)，50Hz。2、零電位軟啟動全波整流輸出(可以滿載或空載開機)。3、平滑電容器電容量220～330微法(450伏)，阻性負載功率300瓦。
(一)、各功能電路元器件組成及電器連接方式1、“雙橋整流電路”(1)的主整流橋由整流二極管D1、D2、D3、D4構成，副整流橋由整流二極管D1、D2、D5、D6構成。元器件之間的連接方式為D3、D5的正端和D1的負端相連接，連接點形成一個對外引出端，作為交流電輸入的一個端點；D4、D6的正端和D2的負端相連接，連接點形成一個對外引出端，作為交流電輸入的另一個端點；D3、D4的負端相連接，連接點形成一個對外引出端，以Uo表示，作為主整流器正輸出端；D5、D6的負端相連接，連接點以Ua表示，作為副整流器正輸出端；D1、D2的正端相連接，連接點作為全部軟橋電路的參考地。
2、“直流電源電路”(2)由隔離二極管D7，降壓電阻器R1、R2，平滑濾波電容器C，穩壓二極管Vw組成。元器件之間的連接方式為D7正端接Ua點，負端串連R1、R2；電容C與穩壓管Vw相并聯，其負端接地，正端接到R2的另一端，連接點以E表示，作為“直流電源”的電源正端。
3、“零電位識別電路”(3)由電阻器R3、R4、R5、R6、R7，三極管V1，隔離二極管D8組成。元器件之間的連接方式為R3一端接Ua點，一端接地；R4一端接Ua點，一端接V1管b極；R5一端接V1管b極，一端接地；R6一端接E點，一端接V1管c極；R7一端接V1管c極，一端接地；D8正端接V1管c極，負端接V2管b極。
4、“觸發電路”(4)由電阻器R8、R9、R10、R11，三極管V2、V3，二極管D9、D10，隔離二極管D11組成。元器件之間的連接方式為R8一端接E點，一端接V3管e極；R9一端接V3管c極，一端接V2管b極；R10一端接V2管b極，一端接地；R11一端接V3管b極，一端接V2管c極；D9正端接E點，負端接D10正端；D10負端接V3管b極；D11正端接V3管c極，負端接V4管b極。
5、“晶閘管開關電路”(5)由電阻器R12，三極管V4，晶閘管Vk組成。元器件之間的連接方式為R12一端接V4管b極，一端接地；V4管e極接Vk管g極，V4管c極接Vk管d極，連接點以Uo’表示，作為整流器整流輸出的低電位端；Vk管s極接地。
(二)、實施例所用元器件下面是以分立元件組裝的本發明實施例所用元器件推薦型號電阻器功率均為1/4瓦，其中R1為51kΩ、R2為51kΩ、R3為270kΩ、R4為270kΩ、R5為51kΩ、R6為100kΩ、R7為6.8kΩ、R8為1kΩ、R9為51kΩ、R10為220kΩ、R11為100kΩ、R12為51kΩ；主橋二極管D1、D2、D3、D4為1N5408；副橋二極管D5、D6為1N4007；其它二極管D7、D8、D9、D10、D11為1N4007；穩壓二極管Vw為0.5w、18v；三極管V1、V2為C8050；三極管V3為A8550；三極管V4為MJE13003或MJE13005；電容C為25伏1μf貼片；晶閘管Vk為BT151。
(三)、各功能電路工作過程介紹1、正弦交流電Ui接入“雙橋整流電路”輸入端，經雙路橋式整流后，獲得兩組等值的全波脈動直流電源Uo和Ua，Uo用于向負載供電，Ua用于提供“軟橋”工作電源，Uo是否向負載回路供電，取決于晶閘管是否導通。
2、Ua經電阻器R1、R2降壓，在電容器C上建立直流電壓E，C并聯穩壓管Vk，以便穩定電壓。D7防止Ua值低于E時，電容器C上的電源回流。R1、R2功率為1/4w，串聯以后將功率增大為1/2w。
3、R3將Ua點干擾信號泄放到地。R4、R5對Ua分壓取樣，產生零電位識別信號，當R5上的取樣電壓大于參考電壓Us，即三極管V1的be結電壓時，V1管飽和導通，其c集電位為低電平，當R5上的取樣電壓小于三極管V1的be結電壓時，V1管截止，其c集電位為高電平，這樣就在V1管c極建立了零電位觸發脈沖。V1管的c極電壓大小，是由R6、R7對直流電源E進行分壓決定的。開機后，電容器C上的電壓由低到高逐漸積累，當E較低時，R7上的電壓不足以使D8和V2管be結導通，V2管截止；當E較高時，R7上的電壓使D8和V2管be結導通，V2管被觸發導通。D8起隔離作用，防止V2管導通后又被V1管c極飽和零電位截止。
4、當V2管末被觸發導通時，V2、V3管均不導通，V2管被觸發導通后，電源E經R8、V3管的be結、R11、V2管的ce極流到地，V2、V3管均導通，V3管的一小部分集電極電流經R9、V2管的be結流到地，形成電流正反饋作用，V2管很快進入飽和狀態，并將飽和狀態自鎖。R10防止干擾信號使V2管誤觸發。R8、D9、D10、V3構成恒流源電路，V3管集電極以恒定電流，經D11輸出觸發信號。D11起隔離作用。
5、在脈動直流電壓Uo為零電位時，由D11過來的觸發信號，經V4管作電流放大作用后，送至晶閘管柵極g，觸發晶閘管導通。R12給V4管cb結漂移電荷提供泄放通路。由于V4管的觸發推動作用，只需較小的觸發電流，就可以使晶閘管電路正常工作。減小觸發電流，有利于減小濾波電容器C的電容量；有利于采用微功耗元器件，有利于降低整個軟橋的功率消耗，使“軟橋”用貼片或集成電路的方法制造成為可能。實施例“軟橋”除晶閘管及主橋二極管導通時正向壓降正常消耗功率外，其它部分總的電功耗被壓縮在0.5w以下。
(四)、實施例電路工作波形分析根據分析和實際測量，獲得一組波形，如圖3。
1、輸入交流電源為50Hz正弦波市電，任意時刻t’所對應的瞬時幅度為Ux。
2、Uo和Ua為全波整流脈動直流波形，而且幅度相同。Us是零電位參考電壓，當Uo和Ua的瞬時值Ux小于Us時，“零電位識別電路”確認Uo和Ua為“零電位”。
3、三極管V1集電極形成零電位觸發信號Uv1c，波形為一組正向窄脈沖。當脈動直流電壓接近零伏時，為高電平，否則，為低電平；當交流電剛合閘時，窄脈沖幅度較小，不能使“觸發電路”導通，幾個周期后，當時刻為t”時，窄脈沖幅度上升到能使“觸發電路”導通的電平值，此后窄脈沖幅度逐漸增大至穩定值。
4、晶閘管Vk陽極d的波形Uo’，末導通時，與Uo相同，導通時，近似為零。
5、晶閘管末導通時，軟橋負載一側平滑濾波電容器CL上的電壓UCL為零，晶閘管導通后，平滑濾波電容器上的電壓由零逐漸增大，建立平滑直流電壓。
權利要求
1.零電位軟啟動橋式整流一體化組(器)件(軟橋)，以高密度貼片技術或集成技術制造成一體化、系列化組(器)件，其特征在于完整“軟橋”方案由“雙橋整流電路”(1)、“直流電源電路”(2)、“零電位識別電路”(3)、“觸發電路”(4)、“晶閘管電子開關電路”(5)，相互連接而成。交流電經“雙橋整流電路”(1)兩路全波整流后，獲得一組大電流脈動直流電源，其輸出和“負載電路”(6)與“晶閘管電子開關”(5)相串聯的電路構成回路，另一組小電流脈動直流電源，分別送給“零電位識別電路”(3)及“直流電源電路”(2)，“直流電源電路”(2)向“零電位識別電路”(3)及“觸發電路”(4)供電，“零電位識別電路”(3)在脈動直流電源電壓幅度回零時，產生觸發脈沖，并送給“觸發電路”(4)，“觸發電路”(4)接受觸發脈沖，經變換和保持，形成持續高電位觸發信號，觸發晶閘管導通，晶閘管導通后，“晶閘管電子開關”(5)“閉合”，“負載電路”(6)從“軟橋”整流輸出端，獲得從零電位開始的脈動直流電源。
2.根據權利要求1的一種零電位軟啟動橋式整流一體化組(器)件(軟橋)。其電路連接方式具有如下特征a、“雙橋整流電路”(1)的主整流橋由整流二極管D1、D2、D3、D4構成，副整流橋由整流二極管D1、D2、D5、D6構成。元器件之間的連接方式為D3、D5的正端和D1的負端相連接，連接點形成一個對外引出端，作為交流電輸入的一個端點；D4、D6的正端和D2的負端相連接，連接點形成一個對外引出端，作為交流電輸入的另一個端點；D3、D4的負端相連接，連接點形成一個對外引出端，以Uo表示，作為主整流器正輸出端；D5、D6的負端相連接，連接點以Ua表示，作為副整流器正輸出端；D1、D2的正端相連接，連接點作為全部軟橋電路的參考地；b、“直流電源電路”(2)由隔離二極管D7，降壓電阻器R1、R2，平滑濾波電容器C，穩壓二極管Vw組成。元器件之間的連接方式為D7正端接Ua點，負端串連R1、R2；電容C與穩壓管Vw相并聯，其負端接地，正端接到R2的另一端，連接點以E表示，作為“直流電源”的電源正端；c、“零電位識別電路”(3)由電阻器R3、R4、R5、R6、R7，三極管V1，隔離二極管D8組成。元器件之間的連接方式為R3一端接Ua點，一端接地；R4一端接Ua點，一端接V1管b極R5一端接V1管b極，一端接地；R6一端接E點，一端接V1管c極；R7一端接V1管c極，一端接地；D8正端接V1管c極，負端接V2管b極；d、“觸發電路”(4)由電阻器R8、R9、R10、R11，三極管V2、V3，二極管D9、D10，隔離二極管D11組成。元器件之間的連接方式為R8一端接E點，一端接V3管e極；R9一端接V3管c極，一端接V2管b極；R10一端接V2管b極，一端接地；R11一端接V3管b極，一端接V2管c極；D9正端接E點，負端接D10正端；D10負端接V3管b極；D11正端接V3管c極，負端接V4管b極；e、“晶閘管開關電路”(5)由電阻器R12，三極管V4，晶閘管Vk組成。元器件之間的連接方式為R12一端接V4管b極，一端接地V4管e極接Vk管g極，V4管c極接Vk管d極，連接點以Uo’表示，作為整流器整流輸出的低電位端；Vk管s極接地。
全文摘要
本發明“零電位軟啟動橋式整流一體化組(器)件(軟橋)。”是為正弦交流電源整流技術領域首創的一種新型整流組(器)件,由雙橋整流電路1、直流電源電路2、零電位識別電路3、觸發電路4、晶閘管電子開關電路5,相互連接而成;其工業應用產品以貼片或集成技術制造成一體化、系列化組(器)件;電路合閘工作時整流回路中不產生瞬間浪涌電流,輸出整流電壓總是從零電位起始的;與外電路連接,采取四只腳引出包裝,與傳統橋式整流器接法相同;與其它軟啟動方式相比,“軟橋”具有占用空間小、電功耗少、綜合成本低等明顯優勢,使用更加方便。
文檔編號H02M7/02GK1266304SQ99114089
公開日2000年9月13日 申請日期1999年3月5日 優先權日1999年3月5日
發明者宗宏森 申請人:宗宏森