基于IGBT器件的正弦波調(diào)光控制器的設(shè)計(jì)

李 健 / 趙志強(qiáng)

(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(huì)的發(fā)展和技術(shù)的進(jìn)步，調(diào)光控制器在生活中得到了廣泛的應(yīng)用。目前已經(jīng)應(yīng)用的調(diào)光器按照其使用的環(huán)境和負(fù)載不同有很多分類(lèi)，較為常見(jiàn)的分類(lèi)有小功率調(diào)光器、中功率調(diào)光器和大功率調(diào)光器。不同功率的調(diào)光器會(huì)選用不同類(lèi)別的調(diào)光元器件。另外，根據(jù)負(fù)載可分為阻性負(fù)載、感性負(fù)載和容性負(fù)載。不同負(fù)載的沖擊電流是不相同的，阻性負(fù)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(fù)載的沖擊電流是最大的，是穩(wěn)態(tài)電流的20～40倍，感性負(fù)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(shù)的變革，耗能較多的阻性負(fù)載在照明領(lǐng)域漸漸退出了歷史，取而代之的是各類(lèi)節(jié)能燈和LED。早期的調(diào)光器多是針對(duì)阻性負(fù)載(白熾燈)設(shè)計(jì)，很難應(yīng)對(duì)新的光源，尤其是沖擊電流的破壞，經(jīng)常導(dǎo)致元器件的損害。早期調(diào)光器的調(diào)光元器件基本采用的是可控硅，可控硅利用導(dǎo)通角切割正弦波，即可控硅移相調(diào)壓技術(shù)，該技術(shù)會(huì)產(chǎn)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(kāi)關(guān)特性，對(duì)正弦波進(jìn)行導(dǎo)通斷開(kāi)的不斷循環(huán)，通過(guò)控制導(dǎo)通和斷開(kāi)的占空比來(lái)調(diào)光，這樣輸出的波形就不是正弦波，而是一個(gè)接一個(gè)脈沖的形狀，畸變了的波形。由于產(chǎn)生大量諧波，對(duì)電網(wǎng)的污染很大，負(fù)載能力低，負(fù)載的類(lèi)型較少。隨著新型光源的應(yīng)用，該類(lèi)型的調(diào)光器會(huì)進(jìn)一步縮小應(yīng)用范圍。

調(diào)光設(shè)備中最核心的器件是調(diào)光器件，早期的調(diào)光器件功率都比較小，技術(shù)也比較簡(jiǎn)單，但隨著燈具技術(shù)的發(fā)展，調(diào)光器件的更新和技術(shù)變革成了新型燈具調(diào)光應(yīng)用的必備前提。在這個(gè)背景下，電力電子技術(shù)在上世紀(jì)年代末，實(shí)現(xiàn)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(xiàn)，其中大功率器件中就有絕緣門(mén)雙極性晶體管IGBT和場(chǎng)效應(yīng)管MOSFET。IGBT的各項(xiàng)性能指標(biāo)都優(yōu)于SCR，所以是未來(lái)調(diào)光器的首選器件。

2 調(diào)光控制的基本原理

2.1 可控硅調(diào)光器的工作原理

可控硅只能控制導(dǎo)通，不能控制關(guān)斷，稱(chēng)作半控元件，對(duì)于控制正弦交流電流來(lái)說(shuō)，只能通過(guò)控制正弦波的導(dǎo)通角來(lái)控制交流電流的大小，導(dǎo)致電路中電流不再是正弦波形。具體可控硅調(diào)光器的工作原理如圖1所示。

圖1 可控硅調(diào)光原理示意圖

Ui為輸入電源電壓，波形如圖2所示。Uo為調(diào)光器輸出電壓，如圖3所示，外接負(fù)載。S1，S2為兩個(gè)可控硅或一個(gè)雙向可控硅。控制電路在交流電壓過(guò)零點(diǎn)后延遲一個(gè)相位角去觸發(fā)可控硅S1導(dǎo)通，直到下一個(gè)過(guò)零點(diǎn)可控硅被反相截止，下一個(gè)相位角再觸發(fā)可控硅S2導(dǎo)通，直到再下一個(gè)過(guò)零點(diǎn)又被反相截止，這樣周而復(fù)始地工作。

圖2 輸入電壓電流隨時(shí)間變化的波形

圖3 可控硅調(diào)光器的輸出波形

圖3所示的輸出電壓波形在觸發(fā)點(diǎn)處有一個(gè)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(fù)載或電感性負(fù)載則沒(méi)有問(wèn)題，若控制具有電容性負(fù)載的燈源，由于電容器二端電壓不能實(shí)變，于是會(huì)產(chǎn)生峰值很高的浪涌電流，這種浪涌電流會(huì)產(chǎn)生電磁干擾，破壞電網(wǎng)質(zhì)量，甚至?xí)p壞電氣設(shè)備，一般通過(guò)串聯(lián)電感性扼流線圈來(lái)降低上升時(shí)間，減少電磁干擾。因此可控硅調(diào)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(shí)這個(gè)電容主要指分布電容和負(fù)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(diào)光器增加了濾波環(huán)節(jié)后的輸出波形

2.2 IGBT調(diào)光控制原理

IGBT調(diào)光是以脈沖來(lái)控制元件的通斷，脈沖高電位時(shí)元件導(dǎo)通，低電位時(shí)元件關(guān)斷，高低電位的持續(xù)時(shí)間不一樣，即占空比的不同決定通過(guò)電流的多少。一個(gè)市電交流周期內(nèi)如果通斷幾百次，波形還會(huì)是正弦波，只是上面產(chǎn)生了很多小豁口，經(jīng)過(guò)濾波就會(huì)得到電流大小相對(duì)應(yīng)的一定高度的正弦波形。選擇正弦波是因?yàn)檎也ㄐ尾话C波，沒(méi)有諧波的危害，可以減少損耗并能提高效率。更進(jìn)一步，電機(jī)﹑變壓器和其他電氣設(shè)備設(shè)計(jì)時(shí)都假定了供電電源是正弦的，從而簡(jiǎn)化了設(shè)計(jì)。所以想到充分利用IGBT的大電流下整個(gè)周波可控的特點(diǎn)，采用PWM工作方式。使PWM調(diào)制波(載波)工作頻率高達(dá)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(jí)數(shù)展開(kāi)分析可知，電源電流中不包含低次諧波，只含有與開(kāi)關(guān)頻率50kHz有關(guān)的高次諧波。諧波電流隨次數(shù)依次遞減，加之濾波電感的存在，諧波電流隨次數(shù)的減小是很迅速的，由于沒(méi)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。“IGBT正弦波調(diào)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(chǔ)示波器上觀測(cè)，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(shí)間變化的波形(幅度較小)

3 正弦波調(diào)光器的主要電路設(shè)計(jì)及保護(hù)措施

調(diào)光器件IGBT的驅(qū)動(dòng)電路很多，市場(chǎng)上也有較多的集成驅(qū)動(dòng)電路，具體的電路選擇要根據(jù)調(diào)光器的應(yīng)用來(lái)選型。本設(shè)計(jì)中選用的是集成驅(qū)動(dòng)電路，TLP250系列驅(qū)動(dòng)芯片，該芯片具有穩(wěn)定可靠、驅(qū)動(dòng)能力強(qiáng)的優(yōu)點(diǎn)，另外，其體積較小為其他保護(hù)器件的設(shè)計(jì)節(jié)省了空間。具體電路如圖7所示。

圖7中，IG是控制信號(hào)的輸出端，連接調(diào)光控制器的控制芯片。R1電阻為限流作用，保護(hù)控制芯片的引腳。D1是雙向鉗位二極管，在IGBT驅(qū)動(dòng)端和芯片的檢測(cè)端保持穩(wěn)定的電壓值，防止高電壓的出現(xiàn)損害器件。整個(gè)控制過(guò)程為控制芯片通過(guò)驅(qū)動(dòng)芯片直接驅(qū)動(dòng)兩個(gè)IGBT器件導(dǎo)通和關(guān)閉。該電路設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單、穩(wěn)定、可靠。

圖7 驅(qū)動(dòng)與保護(hù)電路

若IGBT應(yīng)用在超過(guò)其負(fù)載范圍的地方，會(huì)瞬間損害整個(gè)調(diào)光器以致無(wú)法正常工作。為了調(diào)光器安全穩(wěn)定的工作，保護(hù)電路是電路設(shè)計(jì)的難點(diǎn)，也是重點(diǎn)。在保護(hù)方面本電路采用了雙層保護(hù)，既有硬件直接保護(hù)也有軟件保護(hù)。在電路中采用的硬件保護(hù)措施有保險(xiǎn)絲和空開(kāi)。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(hù)IGBT的安全。在電感負(fù)載中，經(jīng)常會(huì)出現(xiàn)很高的反向電動(dòng)勢(shì)，這個(gè)高電壓對(duì)器件是致命的，為了應(yīng)對(duì)高電壓需要增加壓敏電阻，保障電壓的范圍不會(huì)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(diào)光過(guò)程中會(huì)有大量熱產(chǎn)生，尤其是調(diào)光在50%時(shí)開(kāi)關(guān)頻率很高，產(chǎn)生的熱量最多，本設(shè)計(jì)電路中采用了溫度傳感器，當(dāng)溫度超出范圍，軟件會(huì)自動(dòng)調(diào)整調(diào)光，減少熱量的產(chǎn)生，待溫度到達(dá)安全范圍后恢復(fù)原有調(diào)光。

在過(guò)流檢查方面，采用R0電流感應(yīng)電阻器。在R0的選取上要注意阻值的大小，根據(jù)負(fù)載電流的大小和電阻功率來(lái)確定。另外也要根據(jù)設(shè)計(jì)要求選擇電阻器的精度，否則電阻器溫漂大，測(cè)量結(jié)果經(jīng)過(guò)放大后會(huì)差別很大，沒(méi)有了實(shí)際意義。電流經(jīng)過(guò)R0轉(zhuǎn)換成電壓信號(hào)，多個(gè)二級(jí)放大后進(jìn)入控制器，由控制器對(duì)電流實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，一旦有電流超過(guò)警戒值會(huì)采用相應(yīng)措施保護(hù)調(diào)光器件，保障調(diào)光控制器的安全和正常工作。

4 結(jié)束語(yǔ)

經(jīng)過(guò)大量的項(xiàng)目實(shí)踐表明，該調(diào)光控制器具有工作穩(wěn)定、適用各種類(lèi)型負(fù)載的燈具、調(diào)光均勻柔和且無(wú)噪聲困擾的優(yōu)點(diǎn)。該技術(shù)完全解決了可控硅調(diào)光對(duì)電網(wǎng)的污染、負(fù)載適應(yīng)能力差、效率低等缺點(diǎn)。具有廣闊的發(fā)展前景和較強(qiáng)的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力。