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(jié)能的效果和鈉燈工作的可靠性具有十分重要的意義。針對交流調壓電源應用于城市路燈節(jié)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(jié)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(wěn)定。

　　0 引 言

　　近年來, 城市的照明節(jié)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(jié)能提出更高要求。在早期的降壓節(jié)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(jié)能更高的要求, 隨著IGBT 的出現(xiàn)和廣泛應用, 交流斬波調壓技術以其功率因數(shù)高、諧波少、效率高、動態(tài)過程快、濾波器體積小等優(yōu)點得到越來越廣泛的關注, 也越來越多的應用于城市節(jié)能照明領域。

　　1 用于城市照明節(jié)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2交流0 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 。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VDF1 , VF2 和VDF2 構成雙向續(xù)流開關, 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在電源正半周, 用V1 進行斬波控制, VF1 提供續(xù)流通道, 在負半周, 用V2 進行斬波控制, VF2 提供續(xù)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A= T on / T , 改變A可調節(jié)輸出電壓, 既輸出電壓為Uo= AUi( Ui 為輸入電壓) 。

　　2 交流斬波調壓的控制方式

　　在交流斬波調壓控制中, 主要有互補控制和非互補控制2 種方式?；パa控制, 就是在一個開關周期內, 斬波IGBT 和續(xù)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(xiàn)象, 必須在開通和關斷信號之間加入死區(qū)時間, 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 = AUi 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(xiàn)象, 本電路采用有電壓、電流相位檢測的PWM 斬波控制方案, 即通過輸出電流和電壓的狀態(tài)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。

　　圖中當電壓大于零, 電流小于零時, 斬波IGBTV1關斷, V2 , VF1導通, 如果續(xù)流IGBT VF2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VF2 導通時, 電流沿VF2和VDF2續(xù)流, Uo= 0。

　　當電壓小于零, 電流大于零時, 斬波IGBT V2 關斷, V1 , VF2 導通, 如果續(xù)流IGBT VF1 關斷, 負載電流沿V1 和VD1 流向電源, U0 = Uin , 如果VF1 導通時, 電流沿VF1和VDF1續(xù)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 = AUi 于是消除了調壓失控現(xiàn)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(tài)來決定4 個IGBT控制信號的時序。本電源的主控制系統(tǒng)采用的是ARM 控制器 , 因此電源的PWM 斬波信號可以由ARM 芯片產生, 時序分配電路用CPLD 實現(xiàn), 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。

　　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?yōu)楦叩妥兓拿}沖送CPLD 后與ARM 控制板發(fā)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IG2BT 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(xiàn)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(xiàn)的功能電路可以通過CPLD 的開發(fā)軟件Max + Plus ? 根據(jù)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(xiàn)如圖4 所示。

　　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 , VF1 , VF2 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(xiàn)形式較為復雜, 但優(yōu)點是電源的4 個IGBT 在工作工程中不會發(fā)生共通共斷問題, 不易失控, 換流過程有續(xù)流回路, 適合于大功率感性負載應用場合。本城市照明節(jié)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(jié)能的實際要求, 工作穩(wěn)定。配合我所道路照明遠程監(jiān)控技術, 可以很方便組成城市智能照明節(jié)電控制系統(tǒng), 實現(xiàn)城市照明能源的有效控制管理, 避免照明能源浪費, 節(jié)約照明能源。