新型高性价比互补开关分调式交流稳压技术

题。

图2 电子开关电路原事框图

2互补型开关分调式交流稳压技术

本文提出一种新方法，这种新方法的最主要技术特征在于将工频电工技术问题放在高频段处理，毫秒级的电磁开关的不可控开关动态问题放在微秒级的高频电路中解决。这是以电子化手段把电磁开关的触点接通或分断的过渡时间分解为高频时间变量，再加入自适应控制方法使之完全可控而得以解决。这样，不但电磁开关的过渡过程能被高频电子开关互补控制，而且电子开关的工作时间可被控制在最短，由此解决了上述互补使用上的缺陷。电子产品的价格日益下降，为这项新技术推广应用提供了必要的物质基础。所用的高频电力电子技术不但能在解决电磁开关缺陷的同时保证高可靠性、低附加成本以及满足与原有的使用条件完全一致等实际应用要求，而且还能使附加的互补开关组件微型化与轻量化。由于低压小功率电子元器件体积小而且价廉，因此互补式开关组件的成本主要依赖于电力电子开关器件；而采用低成本触点状态实时检测新技术，电子开关的导通时间得到有效的控制，使电子开关的开关容量减少了一半，可以基本上不用散热器，显著地降低了成本，且高频变换器体积小、功耗低。这两项新技术用于互补式组件，解决了混合型技术成本高、体积大的难题。此外，由于电子开关的自适应互补，电磁开关的操作频次可以显著提高。从理论上来说，只要电子开关有足够大的散热器，则操作频次仅受电磁开关的吸合时间与释放时间两个过渡过程时间之和的限制，这样操作时间可以从秒数量级提高到数十毫秒级，这对于需要频繁操作的特殊应用领域，很有意义。由于新技术针对电磁开关不同工作条件与不同负载采用具有自我防护的工作方式，因此保证了电子开关的安全工作与可靠性，使混合型开关的失效率有可能低于电磁开关。由于高压半导体器件的价格仍较高，因此混合型开关只能局限于低压电路，宜作为单极（即SPST－NO、SPST－NC）控制开关电器使用，这点正适合作为以市电为对象的分调开关调压电路使用。

按此原理，我们研制开发成功一种高频电力电子互补式开关新技术。以此新方法研发的新型混合式开关（其核心高频电力电子互补式开关组件的电原理框图见图2，该组件简称CS）含两大新技术。其一是采用廉价的高频直流变换器与场控型电力电子开关器件作为CS的核心电路。高频直流变换器为成本最低的经改进的FLYBACK型变换器。场控型电力电子开关器件，如功率场效应管（MOSFET）驱动功率最小，保证了组件的微型化。高频开关变换器为电力电子开关器件提供可控的驱动电压源，开关变换器工作频率超过20kHz，即可控制的脉宽低于50μs；此外它具有工作效率高、体积孝重量轻、强弱电间电气隔离良好（使用高频变压器）、能适应接触器或继电器线圈工作电压不同条件且能加入稳压功能，保证电力电子开关器件有最合适的驱动信号。其二是电磁开关触点状态低成本实时采样新电路，该电路特点是不需外接电流互感器、光耦合器等零部件，在高频变压器上就可以实现对触点状态的实时快速采样。触点状态的实时快速检测就为控制电力电子开关的最佳互补工作创造了条件。这意味着在满足互补工作要求下，可以使电子开关的工作时间最短。控制电路由电子电路构成，它对电磁开关的激磁线圈电压及触点状态检测，自适应地确定电子开关的导通时间长短及电路接通或关断的时序关系，使得仅在电磁开关吸合接通或释放断开过渡期间才让电子开关导通，以保证电力电子开关器件有较短的导通时间，其余时间则处于待机节电状态。这一方面降低了电力电子开关损耗和该组件的功耗，提高了工作可靠性；另一方面降低了对电力电子开关器件功率容量与电流容量（I2t）的要求，这不但提高了器件的可靠性，而且也是降低成本之关键。电力电子开关的开关容量与I2t直接相关。对于以20ms定义开关容量的电力电子开关器件，当导通时间设定为4ms时，其耐浪涌电流能力将提高一倍以上。这意味着可以使用低一个档级的功率器件，而且可以不用或只用小容量的散热器。这是新型互补技术的独特优势，亦是该新技术有别于其它混合型互补式技术的一大特色；正是此特性才能使之有别于固态开关，从而确定了其应用领域。由于采用电子技术与高频电力电子技术使得组件功耗极小，工作电流亦很小，使得在励磁电压断开时为供给电力电子开关电能而要预先储能的问题易于解决，CS全部由电子元器件构成，除电力电子开关器件和极少数元件外，其它元器件均为小功率且在较低直流电压下工作，这就为CS组件的集成化奠定了基础，集成化将使该组件成本更低、体积更校