摘 要: 高壓鈉燈是城市照明的重要設(shè)備, 其供電電源對(duì)照明節(jié)能的效果和鈉燈工作的可靠性具有十分重要的意義。針對(duì)交流調(diào)壓電源應(yīng)用于城市路燈節(jié)能照明這一特殊場(chǎng)合, 分析了其帶電流檢測(cè)的非互補(bǔ)式控制方式的工作過(guò)程, 并采用CPLD 設(shè)計(jì)了一種相應(yīng)的PWM 時(shí)序產(chǎn)生電路, 節(jié)能照明電源采用此種斬波時(shí)序電路后可以帶感性、阻性、容性負(fù)載, 工作穩(wěn)定。

0 引 言

近年來(lái), 城市的照明節(jié)能工作, 已經(jīng)引起了各地、各級(jí)政府的高度關(guān)注, 并對(duì)城市照明節(jié)能提出更高要求。在早期的降壓節(jié)能產(chǎn)品中主要經(jīng)歷了自耦變壓器調(diào)壓、補(bǔ)償變壓器調(diào)壓、可控硅調(diào)壓等幾個(gè)階段, 但因其各自的缺點(diǎn)越來(lái)越不適合城市照明節(jié)能更高的要求, 隨著IGBT 的出現(xiàn)和廣泛應(yīng)用, 交流斬波調(diào)壓技術(shù)以其功率因數(shù)高、諧波少、效率高、動(dòng)態(tài)過(guò)程快、濾波器體積小等優(yōu)點(diǎn)得到越來(lái)越廣泛的關(guān)注, 也越來(lái)越多的應(yīng)用于城市節(jié)能照明領(lǐng)域。

1 用于城市照明節(jié)能的交流斬波調(diào)壓電源主電路原理

城市照明交流調(diào)壓電源采用/ 交流2交流0 逆變技術(shù), 不受負(fù)載特性的限制, 能與任何的負(fù)載匹配, 輸入與輸出頻率相同, 頻率響應(yīng)寬, 不產(chǎn)生高次諧波等 。其主電路拓?fù)淙鐖D1 所示, 圖中V1 和VD1 , V2 和VD2 構(gòu)成雙向斬波開(kāi)關(guān), VF1 和VDF1 , VF2 和VDF2 構(gòu)成雙向續(xù)流開(kāi)關(guān), Lif , Cif和Lof , Cof為低通輸入、輸出濾波器。

基本原理直流斬波電路有類似之處當(dāng)在電源正半周, 用V1 進(jìn)行斬波控制, VF1 提供續(xù)流通道, 在負(fù)半周, 用V2 進(jìn)行斬波控制, VF2 提供續(xù)流通道。設(shè)斬波器件(V1 或V2 ) 導(dǎo)通時(shí)間為T on , 開(kāi)關(guān)周期為T , 則導(dǎo)通比A= T on / T , 改變A可調(diào)節(jié)輸出電壓, 既輸出電壓為Uo= AUi( Ui 為輸入電壓) 。

2 交流斬波調(diào)壓的控制方式

在交流斬波調(diào)壓控制中, 主要有互補(bǔ)控制和非互補(bǔ)控制2 種方式。互補(bǔ)控制, 就是在一個(gè)開(kāi)關(guān)周期內(nèi), 斬波IGBT 和續(xù)流IGBT 必須有且只有一個(gè)能導(dǎo)通。在電源工作中, 既不允許兩者同時(shí)導(dǎo)通而造成電源短路, 也不允許兩者同時(shí)關(guān)斷而造成負(fù)載電流開(kāi)路, 而實(shí)際中IGBT 的開(kāi)通和關(guān)斷總需要延時(shí)一段時(shí)間, 這就有可能會(huì)造成換流過(guò)程中2 個(gè)IGBT 同時(shí)導(dǎo)通。為了避免這種現(xiàn)象, 必須在開(kāi)通和關(guān)斷信號(hào)之間加入死區(qū)時(shí)間, 避免出現(xiàn)直通的現(xiàn)象。但加入死區(qū)間隔后, 又可能造成換相死區(qū)時(shí)間內(nèi)兩個(gè)IGBT 都不導(dǎo)通, 使負(fù)載開(kāi)路, 在感性負(fù)載情況下, 容易造成瞬時(shí)電壓沖擊, 因此此種斬波方式不適合應(yīng)用于鈉燈照明這一感性負(fù)載場(chǎng)合。

而采用非互補(bǔ)式控制方式可以克服以上缺點(diǎn), 其特點(diǎn)是正反相開(kāi)關(guān)的工作方式可以分別控制, 可以使用于任何的負(fù)載。但當(dāng)負(fù)載是感性負(fù)載時(shí), 電流將滯后電壓一個(gè)角度, 必然存在電壓與電流方向不一致的時(shí)刻, 此時(shí)刻負(fù)載通過(guò)電路向電源反饋無(wú)功電能, 這時(shí)電路輸出電壓不能再按照Uo = AUi 計(jì)算, 交流調(diào)壓輸出范圍也將較小。

為了消除這種電壓失控的現(xiàn)象, 本電路采用有電壓、電流相位檢測(cè)的PWM 斬波控制方案, 即通過(guò)輸出電流和電壓的狀態(tài)來(lái)決定控制信號(hào)的時(shí)序。則4 個(gè)IGBT 時(shí)序與電流、電壓的關(guān)系如圖2 所示。

圖中當(dāng)電壓大于零, 電流小于零時(shí), 斬波IGBTV1關(guān)斷, V2 , VF1導(dǎo)通, 如果續(xù)流IGBT VF2關(guān)斷時(shí), 負(fù)載電流沿V2 和VD2 流向電源, Uo= Ui (Ui 為輸入電壓) ; 如果VF2 導(dǎo)通時(shí), 電流沿VF2和VDF2續(xù)流, Uo= 0。

當(dāng)電壓小于零, 電流大于零時(shí), 斬波IGBT V2 關(guān)斷, V1 , VF2 導(dǎo)通, 如果續(xù)流IGBT VF1 關(guān)斷, 負(fù)載電流沿V1 和VD1 流向電源, U0 = Uin , 如果VF1 導(dǎo)通時(shí), 電流沿VF1和VDF1續(xù)流, Uo= 0。

因此從以上分析可知當(dāng)電壓和電流方向不一致時(shí)仍能滿足前面的調(diào)壓公式Uo = AUi 于是消除了調(diào)壓失控現(xiàn)象。

3 IGBT 驅(qū)動(dòng)脈沖時(shí)序設(shè)計(jì)

交流調(diào)壓電源采用帶電流相位檢測(cè)的PWM 斬波方式, 即通過(guò)輸出電流和電壓的狀態(tài)來(lái)決定4 個(gè)IGBT控制信號(hào)的時(shí)序。本電源的主控制系統(tǒng)采用的是ARM 控制器 , 因此電源的PWM 斬波信號(hào)可以由ARM 芯片產(chǎn)生, 時(shí)序分配電路用CPLD 實(shí)現(xiàn), 從而可以使電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)化, 電路板元件和引線減小, 消除組合邏輯電路存在的競(jìng)爭(zhēng)冒險(xiǎn), 時(shí)序分配框圖如圖3 所示。

電源輸出電壓U 和輸出電流I 經(jīng)過(guò)電壓、電流過(guò)零檢測(cè)電路處理變?yōu)楦叩妥兓拿}沖送CPLD 后與ARM 控制板發(fā)出的PWM 脈沖進(jìn)行邏輯運(yùn)算形成四路時(shí)序相互配合的IGBT 脈沖信號(hào), 4 路脈沖再經(jīng)過(guò)IGBT 驅(qū)動(dòng)與隔離電路后加到IGBT 的柵極, 控制IG2BT 的開(kāi)通與關(guān)斷。斬波脈沖的占空比受ARM 控制,可以通過(guò)按鍵手動(dòng)設(shè)置。

4 CPLD 所實(shí)現(xiàn)的邏輯電路和電路時(shí)序仿真

在本電源中4 路互相配合的帶電流檢測(cè)的非互補(bǔ)式驅(qū)動(dòng)信號(hào)由CPLD 產(chǎn)生, CPLD 所實(shí)現(xiàn)的功能電路可以通過(guò)CPLD 的開(kāi)發(fā)軟件Max + Plus ? 根據(jù)4 路IGBT 驅(qū)動(dòng)脈沖與輸出電壓、電流的相位關(guān)系編寫電路圖文件來(lái)實(shí)現(xiàn)如圖4 所示。

給輸入信號(hào)加上激勵(lì)信號(hào)后的波形如下圖5 所示(U, I 是電壓和電流信號(hào)且I 滯后U 一個(gè)角度, G 為PWM 脈沖f = 20 kHz) 從輸出信號(hào)V1 , V2 , VF1 , VF2 之間的時(shí)序關(guān)系, 可以看出此電路滿足電壓、電流相位檢測(cè)的非互補(bǔ)控制方式的要求。

5 結(jié) 語(yǔ)

帶電流檢測(cè)的非互補(bǔ)式斬波控制方式由電壓、電流的極性決定, 實(shí)現(xiàn)形式較為復(fù)雜, 但優(yōu)點(diǎn)是電源的4 個(gè)IGBT 在工作工程中不會(huì)發(fā)生共通共斷問(wèn)題, 不易失控, 換流過(guò)程有續(xù)流回路, 適合于大功率感性負(fù)載應(yīng)用場(chǎng)合。本城市照明節(jié)能電源采用此種斬波方式后, 通過(guò)帶阻性負(fù)載、感性負(fù)載、容性負(fù)載調(diào)試運(yùn)行正常, 調(diào)壓范圍滿足照明節(jié)能的實(shí)際要求, 工作穩(wěn)定。配合我所道路照明遠(yuǎn)程監(jiān)控技術(shù), 可以很方便組成城市智能照明節(jié)電控制系統(tǒng), 實(shí)現(xiàn)城市照明能源的有效控制管理, 避免照明能源浪費(fèi), 節(jié)約照明能源。