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基于IGBT器件的正弦波調光控制器的設計

2014-08-07 01:16趙志強
智能建筑電氣技術 2014年5期
關鍵詞:可控硅正弦波調光

李 健 / 趙志強

(合肥伊科耐信息科技股份有限公司, 安徽 合肥 230088)

1 引言

隨著社會的發(fā)展和技術的進步,調光控制器在生活中得到了廣泛的應用。目前已經應用的調光器按照其使用的環(huán)境和負載不同有很多分類,較為常見的分類有小功率調光器、中功率調光器和大功率調光器。不同功率的調光器會選用不同類別的調光元器件。另外,根據負載可分為阻性負載、感性負載和容性負載。不同負載的沖擊電流是不相同的,阻性負載一般有較小的沖擊電流,基本上是穩(wěn)態(tài)電流的1倍,容性負載的沖擊電流是最大的,是穩(wěn)態(tài)電流的20~40倍,感性負載的沖擊電流居中,是穩(wěn)態(tài)電流的5~10倍。隨著燈具技術的變革,耗能較多的阻性負載在照明領域漸漸退出了歷史,取而代之的是各類節(jié)能燈和LED。早期的調光器多是針對阻性負載(白熾燈)設計,很難應對新的光源,尤其是沖擊電流的破壞,經常導致元器件的損害。早期調光器的調光元器件基本采用的是可控硅,可控硅利用導通角切割正弦波,即可控硅移相調壓技術,該技術會產生一系列不足和污染。尤其是切割中的沖激,由于可控硅是利用自己的開關特性,對正弦波進行導通斷開的不斷循環(huán),通過控制導通和斷開的占空比來調光,這樣輸出的波形就不是正弦波,而是一個接一個脈沖的形狀,畸變了的波形。由于產生大量諧波,對電網的污染很大,負載能力低,負載的類型較少。隨著新型光源的應用,該類型的調光器會進一步縮小應用范圍。

調光設備中最核心的器件是調光器件,早期的調光器件功率都比較小,技術也比較簡單,但隨著燈具技術的發(fā)展,調光器件的更新和技術變革成了新型燈具調光應用的必備前提。在這個背景下,電力電子技術在上世紀年代末,實現了很大的發(fā)展。最具有代表性的是目前大量使用的可控硅(SCR)。近期大容量的器件不斷出現,其中大功率器件中就有絕緣門雙極性晶體管IGBT和場效應管MOSFET。IGBT的各項性能指標都優(yōu)于SCR,所以是未來調光器的首選器件。

2 調光控制的基本原理

2.1 可控硅調光器的工作原理

可控硅只能控制導通,不能控制關斷,稱作半控元件,對于控制正弦交流電流來說,只能通過控制正弦波的導通角來控制交流電流的大小,導致電路中電流不再是正弦波形。具體可控硅調光器的工作原理如圖1所示。

圖1 可控硅調光原理示意圖

Ui為輸入電源電壓,波形如圖2所示。Uo為調光器輸出電壓,如圖3所示,外接負載。S1,S2為兩個可控硅或一個雙向可控硅??刂齐娐吩诮涣麟妷哼^零點后延遲一個相位角去觸發(fā)可控硅S1導通,直到下一個過零點可控硅被反相截止,下一個相位角再觸發(fā)可控硅S2導通,直到再下一個過零點又被反相截止,這樣周而復始地工作。

圖2 輸入電壓電流隨時間變化的波形

圖3 可控硅調光器的輸出波形

圖3所示的輸出電壓波形在觸發(fā)點處有一個很陡的前沿,電壓突然從零跳變到輸入值。若用它控制電阻性負載或電感性負載則沒有問題,若控制具有電容性負載的燈源,由于電容器二端電壓不能實變,于是會產生峰值很高的浪涌電流,這種浪涌電流會產生電磁干擾,破壞電網質量,甚至會損壞電氣設備,一般通過串聯電感性扼流線圈來降低上升時間,減少電磁干擾。因此可控硅調光器引入LC濾波環(huán)節(jié)。L2輸出濾波電感,C2輸出濾波電容(其實這個電容主要指分布電容和負載電容)。其作用是使被斬波后的波形的前沿變?yōu)閳A角,如圖4所示。

圖4 可控硅調光器增加了濾波環(huán)節(jié)后的輸出波形

2.2 IGBT調光控制原理

IGBT調光是以脈沖來控制元件的通斷,脈沖高電位時元件導通,低電位時元件關斷,高低電位的持續(xù)時間不一樣,即占空比的不同決定通過電流的多少。一個市電交流周期內如果通斷幾百次,波形還會是正弦波,只是上面產生了很多小豁口,經過濾波就會得到電流大小相對應的一定高度的正弦波形。選擇正弦波是因為正弦波形不包含諧波,沒有諧波的危害,可以減少損耗并能提高效率。更進一步,電機﹑變壓器和其他電氣設備設計時都假定了供電電源是正弦的,從而簡化了設計。所以想到充分利用IGBT的大電流下整個周波可控的特點,采用PWM工作方式。使PWM調制波(載波)工作頻率高達50kHz(載波頻率越高,諧波含量越小,所需要的濾波電感及電容越小,輸出電流和電壓越逼近正弦波),用傅里葉級數展開分析可知,電源電流中不包含低次諧波,只含有與開關頻率50kHz有關的高次諧波。諧波電流隨次數依次遞減,加之濾波電感的存在,諧波電流隨次數的減小是很迅速的,由于沒有低次諧波,諧波總量是很小的,這有效地保證了輸出波形的完美性?!癐GBT正弦波調光器”的輸出電壓和電流都是工頻正弦波,并與輸入波形完全一樣,在高速存儲示波器上觀測,輸出與輸入波形完全重合。波形畸變率和諧波所占比率都不足1%。濾波環(huán)節(jié)前的輸出波形如圖5和圖6所示。

圖6 輸出電壓電流隨時間變化的波形(幅度較小)

3 正弦波調光器的主要電路設計及保護措施

調光器件IGBT的驅動電路很多,市場上也有較多的集成驅動電路,具體的電路選擇要根據調光器的應用來選型。本設計中選用的是集成驅動電路,TLP250系列驅動芯片,該芯片具有穩(wěn)定可靠、驅動能力強的優(yōu)點,另外,其體積較小為其他保護器件的設計節(jié)省了空間。具體電路如圖7所示。

圖7中,IG是控制信號的輸出端,連接調光控制器的控制芯片。R1電阻為限流作用,保護控制芯片的引腳。D1是雙向鉗位二極管,在IGBT驅動端和芯片的檢測端保持穩(wěn)定的電壓值,防止高電壓的出現損害器件。整個控制過程為控制芯片通過驅動芯片直接驅動兩個IGBT器件導通和關閉。該電路設計簡單、穩(wěn)定、可靠。

圖7 驅動與保護電路

若IGBT應用在超過其負載范圍的地方,會瞬間損害整個調光器以致無法正常工作。為了調光器安全穩(wěn)定的工作,保護電路是電路設計的難點,也是重點。在保護方面本電路采用了雙層保護,既有硬件直接保護也有軟件保護。在電路中采用的硬件保護措施有保險絲和空開。在電路中C2為緩沖電容,在上電或斷電的瞬間吸收電路中的沖擊電流,保護IGBT的安全。在電感負載中,經常會出現很高的反向電動勢,這個高電壓對器件是致命的,為了應對高電壓需要增加壓敏電阻,保障電壓的范圍不會超出器件的可承受電壓。在壓敏電阻的選取中要注意余量的留取范圍。IGBT在調光過程中會有大量熱產生,尤其是調光在50%時開關頻率很高,產生的熱量最多,本設計電路中采用了溫度傳感器,當溫度超出范圍,軟件會自動調整調光,減少熱量的產生,待溫度到達安全范圍后恢復原有調光。

在過流檢查方面,采用R0電流感應電阻器。在R0的選取上要注意阻值的大小,根據負載電流的大小和電阻功率來確定。另外也要根據設計要求選擇電阻器的精度,否則電阻器溫漂大,測量結果經過放大后會差別很大,沒有了實際意義。電流經過R0轉換成電壓信號,多個二級放大后進入控制器,由控制器對電流實時監(jiān)測,一旦有電流超過警戒值會采用相應措施保護調光器件,保障調光控制器的安全和正常工作。

4 結束語

經過大量的項目實踐表明,該調光控制器具有工作穩(wěn)定、適用各種類型負載的燈具、調光均勻柔和且無噪聲困擾的優(yōu)點。該技術完全解決了可控硅調光對電網的污染、負載適應能力差、效率低等缺點。具有廣闊的發(fā)展前景和較強的市場競爭力。

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