一種帶電流檢測非互補式PWM產生電路設計

摘 要:高壓鈉燈是城市照明的重要設備，其供電電源對照明節能的效果和鈉燈工作的可靠性具有十分重要的意義。針對交流調壓電源應用于城市路燈節能照明這一特殊場合，分析了其帶電流檢測的非互補式控制方式的工作過程，并采用CPLD設計了一種相應的PWM時序產生電路，節能照明電源采用此種斬波時序電路后可以帶感性、阻性、容性負載，工作穩定。關鍵詞:交流斬波調壓; 節能; 城市照明; 非互補控制

中圖分類號:TN919-34文獻標識碼:A

文章編號:1004-373X(2010)18-0208-03

Design of Non-complementary PWM Control Circuit with Current Detection

LIN Tao， LI De-yin， MA Rong-bing， CUI Xun-jun

(Energy-saving Department of No.50 Research Institute， China Electronics Technology Group Corporation， Shanghai 200063， China)

Abstract: The HPS lamp is an important city lighting equipment， whose electric power supply has the extremely vital significance to the energy-saveing effect of illumination and the working reliability of sodium lamp. The application of AC voltage regulation in city energy-saving， lighting is described. The working process of the non-complementary PWM control mode with current detection is analyzed. A corresponding PWM sequence generation circuit is designed with CPLD. The energy-saving illumination power supply with such a chopping sequence driving circuit can work stably in the inductive load， resistive load and capacitive load.Keywords: voltage regulator with AC chopper; energy saving; city lighting; non-complementary control

0 引 言

近年來，城市的照明節能工作，已經引起了各地、各級政府的高度關注，并對城市照明節能提出更高要求。在早期的降壓節能產品中主要經歷了自耦變壓器調壓、補償變壓器調壓、可控硅調壓等幾個階段，但因其各自的缺點越來越不適合城市照明節能更高的要求，隨著IGBT的出現和廣泛應用，交流斬波調壓技術以其功率因數高、諧波少、效率高、動態過程快、濾波器體積小等優點得到越來越廣泛的關注，也越來越多的應用于城市節能照明領域。

1 用于城市照明節能的交流斬波調壓電源主電路原理

城市照明交流調壓電源采用“交流-交流”逆變技術，不受負載特性的限制，能與任何的負載匹配，輸入與輸出頻率相同，頻率響應寬，不產生高次諧波等[1]。其主電路拓撲如圖1所示，圖中V1和VD1，V2和VD2構成雙向斬波開關，VF1和VDF1，VF2和VDF2構成雙向續流開關，Lif，Cif和Lof，Cof為低通輸入、輸出濾波器[2]。

基本原理[3] 和直流斬波電路有類似之處當在電源正半周，用V1進行斬波控制，VF1提供續流通道，在負半周，用V2進行斬波控制，VF2提供續流通道。設斬波器件(V1或V2)導通時間為Ton，開關周期為T，則導通比α=Ton/T，改變α可調節輸出電壓，既輸出電壓為Uo=αUi(Ui為輸入電壓)。

圖1 城市節能照明交流調壓電源主電路

2 交流斬波調壓的控制方式

在交流斬波調壓控制中，主要有互補控制[4]和非互補控制2種方式[5] 。互補控制，就是在一個開關周期內，斬波IGBT和續流IGBT必須有且只有一個能導通。在電源工作中，既不允許兩者同時導通而造成電源短路，也不允許兩者同時關斷而造成負載電流開路，而實際中IGBT的開通和關斷總需要延時一段時間，這就有可能會造成換流過程中2個IGBT同時導通。為了避免這種現象，必須在開通和關斷信號之間加入死區時間，避免出現直通的現象。但加入死區間隔后，又可能造成換相死區時間內兩個IGBT都不導通，使負載開路，在感性負載情況下，容易造成瞬時電壓沖擊，因此此種斬波方式不適合應用于鈉燈照明這一感性負載場合。

而采用非互補式控制方式可以克服以上缺點，其特點是正反相開關的工作方式可以分別控制，可以使用于任何的負載。但當負載是感性負載時，電流將滯后電壓一個角度，必然存在電壓與電流方向不一致的時刻，此時刻負載通過電路向電源反饋無功電能，這時電路輸出電壓不能再按照Uo=αUi計算，交流調壓輸出范圍也將較小。

為了消除這種電壓失控的現象，本電路采用有電壓、電流相位檢測的PWM斬波控制方案[6]，即通過輸出電流和電壓的狀態來決定控制信號的時序。則4個IGBT時序與電流、電壓的關系如圖2所示。

圖2 帶電流檢測的非互補控制時序圖

圖中當電壓大于零，電流小于零時，斬波IGBTV1 關斷，V2，VF1導通，如果續流IGBT VF2關斷時， 負載電流沿V2和VD2流向電源，Uo=Ui(Ui為輸入電壓);如果VF2導通時 ， 電流沿VF2和VDF2續流，Uo=0。

當電壓小于零，電流大于零時，斬波IGBT V2關斷，V1，VF2導通，如果續流IGBT VF1關斷，負載電流沿V1和VD1流向電源，U0=Uin，如果VF1導通時，電流沿VF1和VDF1續流，Uo=0。

因此從以上分析可知當電壓和電流方向不一致時仍能滿足前面的調壓公式Uo=αUi于是消除了調壓失控現象。

3 IGBT驅動脈沖時序設計

交流調壓電源采用帶電流相位檢測的PWM斬波方式，即通過輸出電流和電壓的狀態來決定4個IGBT控制信號的時序。本電源的主控制系統采用的是ARM控制器[7-8]，因此電源的PWM斬波信號可以由ARM芯片產生，時序分配電路用CPLD實現，從而可以使電路結構簡化，電路板元件和引線減小，消除組合邏輯電路存在的競爭冒險，時序分配框圖如圖3所示。

圖3 IGBT脈沖產生電路結構圖

電源輸出電壓U和輸出電流I經過電壓、電流過零檢測電路處理變為高低變化的脈沖送CPLD后與ARM控制板發出的PWM脈沖進行邏輯運算形成四路時序相互配合的IGBT脈沖信號，4路脈沖再經過IGBT驅動與隔離電路后加到IGBT的柵極，控制IGBT的開通與關斷。斬波脈沖的占空比受ARM控制，可以通過按鍵手動設置。

4 CPLD所實現的邏輯電路和電路時序仿真

在本電源中4路互相配合的帶電流檢測的非互補式驅動信號由CPLD產生，CPLD所實現的功能電路可以通過CPLD的開發軟件Max+PlusⅡ[9]根據4路IGBT驅動脈沖與輸出電壓、電流的相位關系編寫電路圖文件來實現如圖4所示。

圖4 脈沖的時序邏輯運算電路

給輸入信號加上激勵信號后的波形如下圖5所示(U，I是電壓和電流信號且I滯后U一個角度，G為PWM脈沖f=20 kHz)從輸出信號V1，V2，VF1，VF2之間的時序關系，可以看出此電路滿足電壓、電流相位檢測的非互補控制方式的要求。

5 結 語

帶電流檢測的非互補式斬波控制方式由電壓、電流的極性決定，實現形式較為復雜，但優點是電源的4個IGBT在工作工程中不會發生共通共斷問題，不易失控，換流過程有續流回路，適合于大功率感性負載應用場合。本城市照明節能電源采用此種斬波方式后，通過帶阻性負載、感性負載、容性負載調試運行正常，調壓范圍滿足照明節能的實際要求，工作穩定。配合我所道路照明遠程監控技術，可以很方便組成城市智能照明節電控制系統，實現城市照明能源的有效控制管理，避免照明能源浪費，節約照明能源。

圖5 CPLD輸入加激勵信號后的時序

參考文獻

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作者簡介: 林 濤 男，1977年出生，江蘇人，工學碩士，高級工程師。研究方向為自動化控制。

李德銀 男，1963年出生，江蘇人，工學碩士，高級工程師。研究方向為現代城市照明節能系統的研究與設計。

馬榮兵 男，1982年出生，河南人，工學碩士，助理工程師。研究方向為現代電力電子系統的分析與設計。

崔訓軍 男，1976年出生，河南人，工學學士，工程師。研究方向為工業自動化控制。