戚 偉 ，邱旭偉 ，劉勁松 ，龐文堯 ，肖 鐸

（1.浙江大學(xué)城市學(xué)院 信息與電氣工程學(xué)院，浙江 杭州 310015；2.浙江大學(xué) 信息與電子工程學(xué)院，浙江 杭州 310027）

0 引言

隨著經(jīng)濟(jì)社會(huì)的發(fā)展和人民生活水平的提高，我國(guó)的城市化建設(shè)在不斷加快。作為衡量城市現(xiàn)代化的重要指標(biāo)，城市的交通照明和景觀照明正在迅速發(fā)展，也正在消耗著越來(lái)越多的電能。能源緊缺和環(huán)境污染問(wèn)題已經(jīng)引起全人類(lèi)的共同關(guān)注，節(jié)能環(huán)保也越來(lái)越被重視。根據(jù)外界光線(xiàn)強(qiáng)弱和人流量，適當(dāng)?shù)倪M(jìn)行降壓調(diào)亮，可以有效的節(jié)約電能、減少碳排放[1-2]?？煽毓柘嗫厥秸{(diào)光電路由于結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本低等優(yōu)點(diǎn)，是目前調(diào)光電路中所使用的主流技術(shù)[3-4]?？煽毓枵{(diào)光是通過(guò)改變導(dǎo)通角調(diào)整電壓，輸出電壓并非正弦波，里面含有大量諧波，在工作時(shí)會(huì)對(duì)其他設(shè)備產(chǎn)生干擾，并且會(huì)污染電網(wǎng)。隨著電子器件的發(fā)展，基于IGBT器件的斬控式正弦調(diào)光電路輸出為正弦波，有效解決了諧波干擾問(wèn)題，已被應(yīng)用在舞臺(tái)調(diào)光[5-6]以及酒店的燈光調(diào)光等場(chǎng)合。斬控式調(diào)壓電路中的IGBT驅(qū)動(dòng)電路以及控制電路相對(duì)復(fù)雜，而且濾波電路依賴(lài)于負(fù)載特性，導(dǎo)致系統(tǒng)成本較高而只能應(yīng)用在高檔場(chǎng)所[7-8]。本文設(shè)計(jì)并實(shí)際制作了一種結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本較低的正弦調(diào)光電路，該電路可輸出電壓連續(xù)可調(diào)的標(biāo)準(zhǔn)正弦波，而且適合于阻性、感性和容性負(fù)載，在降壓調(diào)光領(lǐng)域有著非常好的應(yīng)用前景。

1 總體方案

系統(tǒng)總體方案如圖1所示，輸入220 V/50 Hz交流市電，首先通過(guò)整流、濾波電路轉(zhuǎn)換變?yōu)橹绷麟妷海缓筝斎氲饺珮蚰孀冸娐贰?/p>

圖1 交流調(diào)壓電路的系統(tǒng)框圖

由PIC16單片機(jī)產(chǎn)生SPWM控制信號(hào)，輸入到IGBT驅(qū)動(dòng)電路，驅(qū)動(dòng)由4個(gè)IGBT組成的全橋逆變電路。全橋逆變電路輸出的脈沖電壓經(jīng)LC電路濾波，輸出無(wú)明顯失真的正弦波形。同時(shí)PIC16單片機(jī)對(duì)逆變電路進(jìn)行控制，通過(guò)實(shí)時(shí)檢測(cè)輸入端和輸出端的電壓、電流，實(shí)現(xiàn)輸出電壓調(diào)整以及過(guò)載保護(hù)等功能。全橋逆變電路拓?fù)鋱D如圖2所示。常用的SPWM調(diào)制方式有單極性SPWM調(diào)制和雙極性SPWM調(diào)制兩種。針對(duì)感性負(fù)載使用雙極性調(diào)制能夠更容易獲得好的輸出波形，因此這里選擇雙極性SPWM調(diào)制驅(qū)動(dòng)方式。對(duì)于圖2所示的全橋逆變電路，由 T1和T2組成左半橋電路，T3和T4組成右半橋電路。對(duì)于雙極性SPWM調(diào)制方式，4只IGBT的驅(qū)動(dòng)控制信號(hào)具有上下互補(bǔ)、對(duì)角相同的特點(diǎn)。對(duì)應(yīng)正弦波的峰值部分PWM波占空比接近0或者100%，在過(guò)零點(diǎn)附近占空比為50%，如圖3所示。SPWM調(diào)制信號(hào)可以由硬件生產(chǎn)也可以由軟件生成，這里為了簡(jiǎn)化電路設(shè)計(jì)以及降低系統(tǒng)成本，由PIC16單片機(jī)軟件生成兩路互補(bǔ)且具有死區(qū)延時(shí)的控制信號(hào)進(jìn)行左、右半橋電路的控制。

圖2 全橋逆變拓?fù)鋱D

圖3 雙極性SPWM調(diào)制控制信號(hào)

2 硬件設(shè)計(jì)

2.1 功率電路

功率電路由整流濾波電路和全橋逆變電路以及輸出濾波電路組成。為了降低系統(tǒng)成本，使用了全橋整流加直流濾波的方案。如圖4所示，輸入220 V交流市電，經(jīng)全橋整流橋整流并經(jīng)電容濾波后供后級(jí)逆變電路使用。全橋逆變電路由左右兩個(gè)半橋和4只IGBT組成，如圖5所示，上下橋臂使用兩路互補(bǔ)的驅(qū)動(dòng)信號(hào)控制，兩路驅(qū)動(dòng)信號(hào)設(shè)置死區(qū)時(shí)間，避免上下橋臂同時(shí)導(dǎo)通造成輸入電源短路。

圖4 整流濾波電路

圖5 全橋逆變電路

2.2 IGBT驅(qū)動(dòng)電路

PIC16系列單片機(jī)具有增強(qiáng)型PWM輸出功能，可以硬件輸出半橋電路或者全橋電路的驅(qū)動(dòng)控制信號(hào)。本項(xiàng)目中所使用的全橋電路作為兩個(gè)互補(bǔ)的半橋控制。根據(jù)雙極性SPWM調(diào)制控制信號(hào)的特點(diǎn)，4只IGBT的驅(qū)動(dòng)信號(hào)具有上下橋臂驅(qū)動(dòng)信號(hào)互補(bǔ)，對(duì)角驅(qū)動(dòng)信號(hào)相同的特點(diǎn)，將PIC16單片機(jī)配置為半橋驅(qū)動(dòng)輸出模式，由P1A、P1B管腳輸出兩路帶有死區(qū)延時(shí)的互補(bǔ)信號(hào)，分別控制圖2中T1和T2組成的左橋臂，同時(shí)使用相同的兩路信號(hào)分別控制T3和T4組成的右橋臂。IGBT驅(qū)動(dòng)選擇了IR公司的IR2110集成驅(qū)動(dòng)芯片，對(duì)于半橋電路中的高端IGBT驅(qū)動(dòng)，IR2110采用外部自舉電容上電，減少了驅(qū)動(dòng)電源數(shù)量[9-10]。如圖 6所示，使用兩塊IR2110芯片分別驅(qū)動(dòng)左右兩個(gè)半橋。以左半橋驅(qū)動(dòng)為例，在上橋臂截止，下橋臂導(dǎo)通的時(shí)間內(nèi)，由 VCC通過(guò)自舉二極管D4對(duì)自舉電容C16充電，提供下橋臂關(guān)斷，上橋臂導(dǎo)通時(shí)的上橋臂的驅(qū)動(dòng)電源。由于雙極性SPWM控制信號(hào)的占空比是按正弦規(guī)律不斷變化而不是固定的，因此不存在下橋臂長(zhǎng)時(shí)間不通而造成自舉電容無(wú)法充電的問(wèn)題。為了降低成本，選用了10μF鋁電解電容并聯(lián) 0.1μF陶瓷電容作為自舉電容，自舉二極管選用快速恢復(fù)型的肖特基二極管。

3 控制軟件設(shè)計(jì)

3.1 正弦表產(chǎn)生

圖6 IR2110全橋驅(qū)動(dòng)電路

民用市電頻率為50 Hz，PWM波的頻率選擇為20 kHz，市電周期為PWM波周期的400倍。根據(jù)正弦電壓信號(hào)的對(duì)稱(chēng)性，只需要構(gòu)造四分之一周期的正弦表，其余四分之三周期可相應(yīng)生成。

SPWM規(guī)則采樣公式：

其中，K表示為一個(gè)基波周期內(nèi)第K次采樣，N為載波比。為了降低控制系統(tǒng)的復(fù)雜度，每4個(gè)周期改變一次PWM波的占空比。K取 4i，N取400。

其中，i=0…25，計(jì)算出長(zhǎng)度為26的正弦表，將計(jì)算出來(lái)的數(shù)值存入PIC16單片機(jī)的ROM內(nèi)。

3.2 SPWM波的產(chǎn)生

PWM波的頻率設(shè)置為20 kHz，使用Timer2定時(shí)并設(shè)置1：4分頻，PWM每經(jīng)過(guò) 4個(gè)周期產(chǎn)生一個(gè)定時(shí)中斷，在中斷程序里改變PWM波的占空比，中斷程序流程如圖7所示。由于PIC16單片機(jī)的ROM空間比較有限，因此在計(jì)算正弦表時(shí)只計(jì)算了四分之一周期，因此在中斷控制里也將控制分為正半周上升沿、正半周下降沿、負(fù)半周下降沿和負(fù)半周上升沿4種情況分別處理。

圖7 雙極性SPWM波產(chǎn)生的流程圖

4 系統(tǒng)測(cè)試

由PIC16單片機(jī)生成SPWM控制波形，經(jīng)過(guò)驅(qū)動(dòng)芯片IR2110后的驅(qū)動(dòng)波形如圖8所示，兩路信號(hào)為帶有死區(qū)時(shí)間的互補(bǔ)信號(hào)，通過(guò)軟件將死區(qū)時(shí)間設(shè)置為1.6μs，避免上下橋臂同時(shí)導(dǎo)通。使用阻性和感性負(fù)載分別進(jìn)行了測(cè)試。輸入為220 V/50 Hz市電，將輸出電壓調(diào)節(jié)到170 V時(shí)的輸出波形如圖9所示。其中，圖9(a)為輸出空載時(shí)的波形，可以看出空載時(shí)輸出波形基本沒(méi)有畸變。圖9(b)為接入400 W高壓鈉燈感性負(fù)載以后的輸出波形，可以看出波形沒(méi)有發(fā)生明顯畸變。

圖8 IGBT的互補(bǔ)驅(qū)動(dòng)信號(hào)

圖9 輸出波形測(cè)試

本文提出了一種基于AC/DC/AC轉(zhuǎn)換的間接型正弦調(diào)光電路，成功驅(qū)動(dòng)了400 W高壓鈉燈感性負(fù)載實(shí)現(xiàn)了燈光的連續(xù)調(diào)節(jié)，同時(shí)保持了輸出波形為無(wú)明顯畸變的正弦波形。該調(diào)光系統(tǒng)具有控制系統(tǒng)簡(jiǎn)單、成本低并且對(duì)電網(wǎng)無(wú)污染的優(yōu)點(diǎn)，有望取代現(xiàn)有的可控硅方案，應(yīng)用于降壓調(diào)光節(jié)能工程。

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