基于PIC16單片機的正弦調光電路*

戚 偉 ，邱旭偉 ，劉勁松 ，龐文堯 ，肖 鐸

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

0 引言

隨著經濟社會的發展和人民生活水平的提高，我國的城市化建設在不斷加快。作為衡量城市現代化的重要指標，城市的交通照明和景觀照明正在迅速發展，也正在消耗著越來越多的電能。能源緊缺和環境污染問題已經引起全人類的共同關注，節能環保也越來越被重視。根據外界光線強弱和人流量，適當的進行降壓調亮，可以有效的節約電能、減少碳排放[1-2]。可控硅相控式調光電路由于結構簡單、成本低等優點，是目前調光電路中所使用的主流技術[3-4]?？煽毓枵{光是通過改變導通角調整電壓，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備產生干擾，并且會污染電網。隨著電子器件的發展，基于IGBT器件的斬控式正弦調光電路輸出為正弦波，有效解決了諧波干擾問題，已被應用在舞臺調光[5-6]以及酒店的燈光調光等場合。斬控式調壓電路中的IGBT驅動電路以及控制電路相對復雜，而且濾波電路依賴于負載特性，導致系統成本較高而只能應用在高檔場所[7-8]。本文設計并實際制作了一種結構簡單、成本較低的正弦調光電路，該電路可輸出電壓連續可調的標準正弦波，而且適合于阻性、感性和容性負載，在降壓調光領域有著非常好的應用前景。

1 總體方案

系統總體方案如圖1所示，輸入220 V/50 Hz交流市電，首先通過整流、濾波電路轉換變為直流電壓，然后輸入到全橋逆變電路。

圖1 交流調壓電路的系統框圖

由PIC16單片機產生SPWM控制信號，輸入到IGBT驅動電路，驅動由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，實現輸出電壓調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調制方式有單極性SPWM調制和雙極性SPWM調制兩種。針對感性負載使用雙極性調制能夠更容易獲得好的輸出波形，因此這里選擇雙極性SPWM調制驅動方式。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調制方式，4只IGBT的驅動控制信號具有上下互補、對角相同的特點。對應正弦波的峰值部分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調制信號可以由硬件生產也可以由軟件生成，這里為了簡化電路設計以及降低系統成本，由PIC16單片機軟件生成兩路互補且具有死區延時的控制信號進行左、右半橋電路的控制。

圖2 全橋逆變拓撲圖

圖3 雙極性SPWM調制控制信號

2 硬件設計

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，經全橋整流橋整流并經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動信號控制，兩路驅動信號設置死區時間，避免上下橋臂同時導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。根據雙極性SPWM調制控制信號的特點，4只IGBT的驅動信號具有上下橋臂驅動信號互補，對角驅動信號相同的特點，將PIC16單片機配置為半橋驅動輸出模式，由P1A、P1B管腳輸出兩路帶有死區延時的互補信號，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驅動選擇了IR公司的IR2110集成驅動芯片，對于半橋電路中的高端IGBT驅動，IR2110采用外部自舉電容上電，減少了驅動電源數量[9-10]。如圖 6所示，使用兩塊IR2110芯片分別驅動左右兩個半橋。以左半橋驅動為例，在上橋臂截止，下橋臂導通的時間內，由 VCC通過自舉二極管D4對自舉電容C16充電，提供下橋臂關斷，上橋臂導通時的上橋臂的驅動電源。由于雙極性SPWM控制信號的占空比是按正弦規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10μF鋁電解電容并聯 0.1μF陶瓷電容作為自舉電容，自舉二極管選用快速恢復型的肖特基二極管。

3 控制軟件設計

3.1 正弦表產生

圖6 IR2110全橋驅動電路

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。根據正弦電壓信號的對稱性，只需要構造四分之一周期的正弦表，其余四分之三周期可相應生成。

SPWM規則采樣公式：

其中，K表示為一個基波周期內第K次采樣，N為載波比。為了降低控制系統的復雜度，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，將計算出來的數值存入PIC16單片機的ROM內。

3.2 SPWM波的產生

PWM波的頻率設置為20 kHz，使用Timer2定時并設置1：4分頻，PWM每經過 4個周期產生一個定時中斷，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。

圖7 雙極性SPWM波產生的流程圖

4 系統測試

由PIC16單片機生成SPWM控制波形，經過驅動芯片IR2110后的驅動波形如圖8所示，兩路信號為帶有死區時間的互補信號，通過軟件將死區時間設置為1.6μs，避免上下橋臂同時導通。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，將輸出電壓調節到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生明顯畸變。

圖8 IGBT的互補驅動信號

圖9 輸出波形測試

本文提出了一種基于AC/DC/AC轉換的間接型正弦調光電路，成功驅動了400 W高壓鈉燈感性負載實現了燈光的連續調節，同時保持了輸出波形為無明顯畸變的正弦波形。該調光系統具有控制系統簡單、成本低并且對電網無污染的優點，有望取代現有的可控硅方案，應用于降壓調光節能工程。

[1]張萬奎，丁躍澆.高壓鈉燈的技術特性及降壓節電應用[J].照明工程學報，2007，17(4)：63-65.

[2]張振，張萬奎.高壓鈉燈降壓調光節電試驗[J].照明工程學報，2010(2)：47-48.

[3]張斌.可控硅過零觸發調壓器[J].電子制作，2005(7)：12-14.

[4]余志勇，李忠義.晶閘管交流調壓器觸發電路分析與設計[J].電力電子技術，1998，1(2)：1-6.

[5]瞿繼武.新型正弦波調光設備在電視演播室的運用[J].西部廣播電視，2006(6)：8-9.

[6]潘云輝.正弦波電子調光技術在演藝燈光中的應用[J].演藝科技，2011(8)：1-8.

[7]張榮華.數字式交流調壓電源的研究與設計[D].成都：西南交通大學，2008.

[8]曾志.斬控式交流調壓器的研究與設計[D].成都：西南交通大學，2012.

[9]馬瑞卿，劉衛國.自舉式IR2110集成驅動電路的特殊應用[J].電力電子技術，2000，34(1)：31-33.

[10]周斂榮，潘美珍.高壓懸浮驅動電路IR2110的特點及拓展應用技術[J].電子元器件應用，2009，11(4)：30-33.