0 引言

    隨著經(jīng)濟社會的發(fā)展和人民生活水平的提高，我國的城市化建設(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，也正在消耗著越來越多的電能。能源緊缺和環(huán)境污染問題已經(jīng)引起全人類的共同關(guān)注，節(jié)能環(huán)保也越來越被重視。根據(jù)外界光線強弱和人流量，適當(dāng)?shù)倪M行降壓調(diào)亮，可以有效的節(jié)約電能、減少碳排放^[1-2]。可控硅相控式調(diào)光電路由于結(jié)構(gòu)簡單、成本低等優(yōu)點，是目前調(diào)光電路中所使用的主流技術(shù)^[3-4]。可控硅調(diào)光是通過改變導(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，在工作時會對其他設(shè)備產(chǎn)生干擾，并且會污染電網(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題，已被應(yīng)用在舞臺調(diào)光^[5-6]以及酒店的燈光調(diào)光等場合。斬控式調(diào)壓電路中的IGBT驅(qū)動電路以及控制電路相對復(fù)雜，而且濾波電路依賴于負載特性，導(dǎo)致系統(tǒng)成本較高而只能應(yīng)用在高檔場所^[7-8]。本文設(shè)計并實際制作了一種結(jié)構(gòu)簡單、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，首先通過整流、濾波電路轉(zhuǎn)換變?yōu)橹绷麟妷?，然后輸入到全橋逆變電路?/p>

    由PIC16單片機產(chǎn)生SPWM控制信號，輸入到IGBT驅(qū)動電路，驅(qū)動由4個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，輸出無明顯失真的正弦波形。同時PIC16單片機對逆變電路進行控制，通過實時檢測輸入端和輸出端的電壓、電流，實現(xiàn)輸出電壓調(diào)整以及過載保護等功能。全橋逆變電路拓撲圖如圖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。針對感性負載使用雙極性調(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)動方式。對于圖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。對于雙極性SPWM調(diào)制方式，4只IGBT的驅(qū)動控制信號具有上下互補、對角相同的特點。對應(yīng)正弦波的峰值部分PWM波占空比接近0或者100%，在過零點附近占空比為50%，如圖3所示。SPWM調(diào)制信號可以由硬件生產(chǎn)也可以由軟件生成，這里為了簡化電路設(shè)計以及降低系統(tǒng)成本，由PIC16單片機軟件生成兩路互補且具有死區(qū)延時的控制信號進行左、右半橋電路的控制。

2 硬件設(shè)計

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)電容濾波后供后級逆變電路使用。全橋逆變電路由左右兩個半橋和4只IGBT組成，如圖5所示，上下橋臂使用兩路互補的驅(qū)動信號控制，兩路驅(qū)動信號設(shè)置死區(qū)時間，避免上下橋臂同時導(dǎo)通造成輸入電源短路。

2.2 IGBT驅(qū)動電路

    PIC16系列單片機具有增強型PWM輸出功能，可以硬件輸出半橋電路或者全橋電路的驅(qū)動控制信號。本項目中所使用的全橋電路作為兩個互補的半橋控制。根據(jù)雙極性SPWM調(diào)制控制信號的特點，4只IGBT的驅(qū)動信號具有上下橋臂驅(qū)動信號互補，對角驅(qū)動信號相同的特點，將PIC16單片機配置為半橋驅(qū)動輸出模式，由P1A、P1B管腳輸出兩路帶有死區(qū)延時的互補信號，分別控制圖2中T₁和T₂組成的左橋臂，同時使用相同的兩路信號分別控制T₃和T₄組成的右橋臂。IGBT驅(qū)動選擇了IR公司的IR2110集成驅(qū)動芯片，對于半橋電路中的高端IGBT驅(qū)動，IR2110采用外部自舉電容上電，減少了驅(qū)動電源數(shù)量^[9-10]。如圖6所示，使用兩塊IR2110芯片分別驅(qū)動左右兩個半橋。以左半橋驅(qū)動為例，在上橋臂截止，下橋臂導(dǎo)通的時間內(nèi)，由V_CC通過自舉二極管D4對自舉電容C16充電，提供下橋臂關(guān)斷，上橋臂導(dǎo)通時的上橋臂的驅(qū)動電源。由于雙極性SPWM控制信號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時間不通而造成自舉電容無法充電的問題。為了降低成本，選用了10 μF鋁電解電容并聯(lián)0.1 μF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

3.1 正弦表產(chǎn)生

    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)正弦電壓信號的對稱性，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個周期改變一次PWM波的占空比。K取4i，N取400。

其中，i=0…25，計算出長度為26的正弦表，將計算出來的數(shù)值存入PIC16單片機的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定時并設(shè)置1：4分頻，PWM每經(jīng)過4個周期產(chǎn)生一個定時中斷，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單片機的ROM空間比較有限，因此在計算正弦表時只計算了四分之一周期，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、負半周下降沿和負半周上升沿4種情況分別處理。

4 系統(tǒng)測試

    由PIC16單片機生成SPWM控制波形，經(jīng)過驅(qū)動芯片IR2110后的驅(qū)動波形如圖8所示，兩路信號為帶有死區(qū)時間的互補信號，通過軟件將死區(qū)時間設(shè)置為1.6 μs，避免上下橋臂同時導(dǎo)通。使用阻性和感性負載分別進行了測試。輸入為220 V/50 Hz市電，將輸出電壓調(diào)節(jié)到170 V時的輸出波形如圖9所示。其中，圖9(a)為輸出空載時的波形，可以看出空載時輸出波形基本沒有畸變。圖9(b)為接入400 W高壓鈉燈感性負載以后的輸出波形，可以看出波形沒有發(fā)生明顯畸變。

    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)動了400 W高壓鈉燈感性負載實現(xiàn)了燈光的連續(xù)調(diào)節(jié)，同時保持了輸出波形為無明顯畸變的正弦波形。該調(diào)光系統(tǒng)具有控制系統(tǒng)簡單、成本低并且對電網(wǎng)無污染的優(yōu)點，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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