馬禮民，葉劍輝，萬(wàn)冬華

(廣州斯全德燈光有限公司，廣東 廣州 510663）

文化部科技創(chuàng)新項(xiàng)目《光纖、網(wǎng)絡(luò)、智能正弦波交流電源調(diào)壓調(diào)光控制器》，旨在用節(jié)能環(huán)保型綠色產(chǎn)品替代效率低、耗能高、干擾大的可控硅調(diào)光器產(chǎn)品，針對(duì)傳統(tǒng)的可控硅調(diào)壓電路存在的波形畸變以及功率開(kāi)關(guān)管調(diào)壓電路存在的功耗大、電路復(fù)雜的問(wèn)題，設(shè)計(jì)一種基于集成電路芯片控制技術(shù)的正弦波交流電源調(diào)壓驅(qū)動(dòng)器，形成智能正弦波調(diào)光項(xiàng)目系列化。該項(xiàng)目由廣州斯全德燈光有限公司（以下簡(jiǎn)稱(chēng)“斯全德”）承擔(dān)。

1 可控硅調(diào)壓（調(diào)光）概述

1.1 可控硅調(diào)壓（調(diào)光）的技術(shù)原理

可控硅調(diào)光器多數(shù)是采用相位控制方法來(lái)實(shí)現(xiàn)調(diào)壓或調(diào)光的。相位觸發(fā)電路是交流觸發(fā)電路的一種，如圖1。此電路的原理是利用RC回路控制觸發(fā)信號(hào)的相位。當(dāng)R值較小時(shí)，RC的時(shí)間常數(shù)較小，觸發(fā)信號(hào)的相移A1較小，因此，負(fù)載獲得較大的電功率；當(dāng)R值較大時(shí)，RC的時(shí)間常數(shù)較大，觸發(fā)信號(hào)的相移A2較大，因此負(fù)載獲得較小的電功率。

目前使用的反向阻斷型可控硅，其閘流的特性表現(xiàn)為：當(dāng)可控硅加上正向陽(yáng)極電壓的同時(shí)又加上適當(dāng)?shù)恼蚩刂齐妷簳r(shí)，可控硅就導(dǎo)通，這一導(dǎo)通即使在撤去門(mén)極控制電壓后仍將維持，一直到加上反向陽(yáng)極電壓或陽(yáng)極電流小于可控硅自身的維持電流后才關(guān)斷?？煽毓枵{(diào)光器就是利用可控硅的這一特性實(shí)現(xiàn)前沿觸發(fā)相控調(diào)壓的。在正弦波交流電過(guò)零后的某一時(shí)刻t1（或某一相位角ωt1），在可控硅控制極上加一觸發(fā)脈沖，使可控硅導(dǎo)通，這一導(dǎo)通將維持到正弦波正半周結(jié)束。因此在正弦波的正半周（即0～π區(qū)間）中，0～ωt1范圍可控硅不導(dǎo)通，這一范圍稱(chēng)為控制角，常用α表示；而在ωt1～π間可控硅導(dǎo)通，這一范圍稱(chēng)為導(dǎo)通角，常用表示。同理，在正弦波交流電的負(fù)半周，對(duì)處于反向聯(lián)接的另一個(gè)可控硅（對(duì)兩個(gè)單向可控硅反并聯(lián)或雙向可控硅而言）在t2時(shí)刻（即相位角ωt2）施加觸發(fā)脈沖，使其導(dǎo)通。如此周而復(fù)始，對(duì)正弦波每半個(gè)周期控制其導(dǎo)通，獲得相同的導(dǎo)通角。如改變觸發(fā)脈沖的施加時(shí)間（或相位），即改變了導(dǎo)通角（或控制角α）的大小。導(dǎo)通角越大調(diào)光器輸出的電壓越高，燈就越亮。從上述可控硅調(diào)光原理可知，調(diào)光器輸出的電壓波形已經(jīng)不再是正弦波了，除非調(diào)光器處在全導(dǎo)通狀態(tài)，即導(dǎo)通角為180°（或π）。正是由于正弦波被切割、波形遭受破壞，會(huì)給電網(wǎng)帶來(lái)干擾等問(wèn)題。

圖1 可控硅調(diào)光電路原理

1.2 可控硅調(diào)壓（調(diào)光）的缺陷及應(yīng)對(duì)技術(shù)措施

自上世紀(jì)70年代起，可控硅調(diào)光是我國(guó)影視舞臺(tái)的主力調(diào)光設(shè)備。但近10年來(lái)，用戶(hù)一直在抱怨可控硅在調(diào)光時(shí)所產(chǎn)生的諧波對(duì)電源、舞臺(tái)音頻、視頻的影響，尤其是對(duì)越來(lái)越多的用電設(shè)備嚴(yán)重干擾，以至影響到電網(wǎng)的安全。由此市場(chǎng)上又產(chǎn)生了治理可控硅諧波的濾波器。濾波器的濾波效果如何且不談，單這項(xiàng)附加的費(fèi)用成本就超過(guò)所用的可控硅調(diào)光設(shè)備之和，迫使許多新建的演播廳或劇場(chǎng)為達(dá)到國(guó)家對(duì)供電系統(tǒng)諧波的限制標(biāo)準(zhǔn)，不得不增加建設(shè)投資成本而采用各種治理諧波措施來(lái)達(dá)標(biāo)。

在電子工業(yè)迅猛發(fā)展的今天，可控硅調(diào)壓（調(diào)光）已成為電力資源應(yīng)用的一大缺陷，現(xiàn)實(shí)中大部分連接到可控硅的用電設(shè)備，可用而不能適配，在電子產(chǎn)品領(lǐng)域中，如果用電設(shè)備不能適配，是有害而且容易損壞的?？煽毓柙谡{(diào)壓期間吸收電網(wǎng)電能是非正弦的，所有非正弦吸收電網(wǎng)電能的設(shè)備，都會(huì)導(dǎo)致電網(wǎng)和燈光師工作環(huán)境的“污染”。

實(shí)際應(yīng)用中，可控硅調(diào)壓不存在調(diào)壓輸出的工作方式，而是在一個(gè)正弦波周期內(nèi)控制能量輸出時(shí)間的工作過(guò)程，輸出與輸入在相同的相位點(diǎn)上的電壓是一致的（加損耗），這就是極大部分用電設(shè)備不適配的原因所在（如非線(xiàn)性負(fù)載等）。圖2是可控硅控制與正弦波控制器輸出波形的對(duì)比圖，從中我們可以看到，智能正弦波調(diào)光器輸出在調(diào)壓（調(diào)光）過(guò)程中改變的是輸出電壓幅值，而輸出波形與輸入波形是一致的。

圖2 可控硅與正弦波調(diào)光波形對(duì)比圖

2 《光纖、網(wǎng)絡(luò)、智能正弦波交流電源調(diào)壓調(diào)光控制器》項(xiàng)目

2.1 項(xiàng)目背景

智能正弦波調(diào)光產(chǎn)品解決了現(xiàn)有的可控硅調(diào)壓電路存在的波形畸變以及功率開(kāi)關(guān)管調(diào)壓電路存在的功耗大、電路復(fù)雜的問(wèn)題，是一種基于集成電路芯片控制技術(shù)的正弦波交流電源調(diào)壓驅(qū)動(dòng)器，其采用數(shù)字化的方法來(lái)實(shí)現(xiàn)正弦脈沖寬度調(diào)制技術(shù)（PWM），從而得到純正弦波的輸出波形。采用高頻調(diào)制后可獲得高質(zhì)量的輸出電壓波形，抑制了高次諧波，使功率開(kāi)關(guān)管（IGBT）損耗減小，由此提高了系統(tǒng)的工作性能。

智能正弦波調(diào)光是替代舞臺(tái)可控硅調(diào)光的革命性產(chǎn)品，其無(wú)波形畸變，可控性強(qiáng)、節(jié)能環(huán)保等先進(jìn)性是影視舞臺(tái)調(diào)光系統(tǒng)更新?lián)Q代的理想產(chǎn)品。目前進(jìn)口智能正弦波調(diào)光器價(jià)格昂貴，成本高已成為進(jìn)口產(chǎn)品的推廣障礙，這是近十年來(lái)舞臺(tái)燈光界最糾結(jié)的事，一方面舞臺(tái)演藝與影視事業(yè)突飛猛進(jìn)，可控硅所產(chǎn)生的諧波對(duì)電網(wǎng)污染逾發(fā)嚴(yán)重，而節(jié)能與綠色照明的呼聲又越來(lái)越高。

隨著LED燈具的逐步普及應(yīng)用，更少的調(diào)光回路呼喚高品質(zhì)的產(chǎn)品；越來(lái)越多的工程案例證明，智能正弦波調(diào)光是替代可控硅的革命性產(chǎn)品和專(zhuān)業(yè)用戶(hù)理想的選擇。研發(fā)擁有國(guó)內(nèi)自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的舞臺(tái)智能正弦波調(diào)光器，就能大大降低產(chǎn)品價(jià)格，讓最普通的廣大用戶(hù)都能承受，真正做到“好東西還用得起”，這是專(zhuān)業(yè)燈光公司的職責(zé)，也是“斯全德”對(duì)市場(chǎng)的定位。

2.2 項(xiàng)目研發(fā)概況

經(jīng)過(guò)幾年時(shí)間的探索、研發(fā)、試產(chǎn)、檢測(cè)和試用，“斯全德”于2009年推出了藍(lán)盾ST600調(diào)光控制器，這是智能正弦波調(diào)光柜的雛形，在充分聽(tīng)取業(yè)內(nèi)的建議后，于2010年5月推出改進(jìn)后的產(chǎn)品。2010年，文化部正式批準(zhǔn)立項(xiàng)——科技攻關(guān)計(jì)劃項(xiàng)目：《光纖/網(wǎng)絡(luò)/智能/正弦波交流電源調(diào)壓調(diào)光控制器》（項(xiàng)目編號(hào)：5-2010）為“斯全德”獨(dú)立研究開(kāi)發(fā)的項(xiàng)目課題，對(duì)藍(lán)盾ST600調(diào)光控制器進(jìn)行了大幅度的技術(shù)革新與升級(jí)，該項(xiàng)目于2012年5月順利通過(guò)驗(yàn)收。

2.3 項(xiàng)目技術(shù)特點(diǎn)

用智能正弦波調(diào)光技術(shù)取代可控硅調(diào)光，降低對(duì)周?chē)h(huán)境中的音視頻設(shè)備產(chǎn)生的電磁干擾，解決諧波對(duì)電網(wǎng)的危害。這是該項(xiàng)目的設(shè)計(jì)理念。

本項(xiàng)目是一款用于專(zhuān)業(yè)舞臺(tái)上進(jìn)行調(diào)光的基于雙Z型網(wǎng)絡(luò)的程控智能正弦波調(diào)光器。雙Z型網(wǎng)絡(luò)為雙Z型驅(qū)動(dòng)電路，采用隔離驅(qū)動(dòng)電源，具有強(qiáng)大的IGBT驅(qū)動(dòng)與保護(hù)功能，設(shè)置最佳的短路閥值、保護(hù)盲區(qū)時(shí)間，使IGBT獲得最好的開(kāi)關(guān)關(guān)斷性能，在發(fā)生過(guò)流或短路故障時(shí)能迅速做出保護(hù)動(dòng)作，避免熱極限發(fā)生擎柱效應(yīng)損壞器件。同時(shí)結(jié)合強(qiáng)大的微處理器實(shí)現(xiàn)軟件生成法生成SPWM，實(shí)現(xiàn)精確控制，得到理想的正弦波輸出。

其技術(shù)特點(diǎn)如下：調(diào)光控制器的控制信號(hào)經(jīng)過(guò)主處理器輸送給芯片，電流傳感器對(duì)智能正弦波調(diào)光器輸出電流進(jìn)行采樣，然后，電流傳感器的采樣信號(hào)通過(guò)高速A/D轉(zhuǎn)換器把電流信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)輸送給主處理器，主處理器將數(shù)字信號(hào)輸送給芯片，芯片對(duì)輸出電流信號(hào)進(jìn)行調(diào)制，使調(diào)光器與負(fù)載燈具達(dá)到最佳的匹配。

圖3 系統(tǒng)硬件處框圖

圖4 調(diào)光控制流程圖

系統(tǒng)的硬件處理框圖見(jiàn)圖3，調(diào)光控制流程圖見(jiàn)圖4。

控制原理：基于一個(gè)經(jīng)驗(yàn)曲線(xiàn)加模糊智能判別來(lái)實(shí)現(xiàn)最佳的燈具調(diào)光特性。在有調(diào)光信號(hào)輸入時(shí)，判斷用戶(hù)調(diào)光意圖，然后根據(jù)用戶(hù)調(diào)光意圖，選擇一條最佳的輸出曲線(xiàn)進(jìn)行輸出。同時(shí)，以20 kHz以上的頻率的對(duì)輸出電流過(guò)行采樣，通過(guò)電流變化的曲線(xiàn)和調(diào)光輸出曲線(xiàn)進(jìn)行對(duì)比，判斷燈泡的狀態(tài)（冷態(tài)或熱態(tài)）動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)調(diào)光輸出曲線(xiàn)，使燈泡工作在最佳的加熱曲線(xiàn)上，達(dá)到冷態(tài)燈泡快速點(diǎn)亮，同時(shí)也不會(huì)過(guò)流燒斷和引起過(guò)調(diào)光器過(guò)流及短路保護(hù)誤動(dòng)的效果。

此控制網(wǎng)絡(luò)不僅能達(dá)到可控硅的調(diào)光響應(yīng)速度，而且由于采用負(fù)載智能匹配，使冷態(tài)光源的沖擊峰值電流大大減少，由此減少大功率舞臺(tái)調(diào)光在啟動(dòng)瞬間的沖擊電流，減少對(duì)電網(wǎng)的沖擊，從而大大減少了誤跳閘的機(jī)率，延長(zhǎng)了燈具的使用壽命。

2.3.1 技術(shù)特性解析

智能正弦波調(diào)光器中設(shè)計(jì)采用的脈寬調(diào)制（PWM）與IGBT分時(shí)控制技術(shù)相結(jié)合原理是：

每臺(tái)調(diào)光單元采用兩個(gè)獨(dú)立控制回路的開(kāi)關(guān)管以并串接方式運(yùn)用倍頻式IGBT分時(shí)控制，每個(gè)控制單元由二個(gè)獨(dú)立控制回路的開(kāi)關(guān)管組成，即每個(gè)橋臂采用兩個(gè)IGBT并聯(lián)，工作中這二個(gè)橋臂開(kāi)關(guān)管采用周期分時(shí)控制，各自分擔(dān)一半的功率，使IGBT的工作頻率和開(kāi)關(guān)損耗減小了一半，從而降低了開(kāi)關(guān)管的熱損耗，也進(jìn)一步確保了開(kāi)關(guān)管工作的可靠性。

設(shè)計(jì)中采用的周期分時(shí)控制技術(shù)實(shí)現(xiàn)調(diào)光輸出，能有效地降低散熱成本、電能損耗、提高IGBT開(kāi)關(guān)管工作時(shí)的可靠性，也進(jìn)一步提高了工作效率。實(shí)現(xiàn)AC-AC純正弦波的調(diào)幅輸出電壓，它可調(diào)節(jié)0～220 V的標(biāo)準(zhǔn)交流正弦波輸出驅(qū)動(dòng)負(fù)載，拓展了舞臺(tái)載體的可控范疇。調(diào)光工作時(shí)，因吸收電網(wǎng)電能是正弦電流，也就大幅降低電網(wǎng)及輸出諧波含量，由于其工作在高頻開(kāi)關(guān)狀態(tài)，又可減小無(wú)源濾波元件的體積，進(jìn)一步降低產(chǎn)品成本，提高產(chǎn)品性能。

2.3.3 電路控制特點(diǎn)

電路系統(tǒng)的輸入管理特點(diǎn)：頻率跟隨全程采樣，因此，能夠在很寬的電源頻率范圍內(nèi)工作；獨(dú)特輸入信息處理技術(shù)，不會(huì)因接觸不良、移相等現(xiàn)象而損壞調(diào)光器。

電路系統(tǒng)的輸出管理特點(diǎn)：諧波實(shí)時(shí)控制技術(shù)，使主回路中的電感器靜音工作。高性能的IGBT驅(qū)動(dòng)電路能夠減小開(kāi)關(guān)延時(shí)，降低開(kāi)關(guān)損耗，在發(fā)生過(guò)流或短路故障時(shí)能夠迅速做出保護(hù)動(dòng)作，允許輸出任何方式任意短路并自動(dòng)恢復(fù)。

調(diào)光器管理控制特點(diǎn)：整個(gè)控制系統(tǒng)數(shù)字化，信息集中管理，采用軟件生成法生成SPWM波形，實(shí)現(xiàn)精確控制。

調(diào)光器用戶(hù)操作特點(diǎn)：多種工作模式供用戶(hù)選擇，允許所有設(shè)置和修改熱操作而不影響系統(tǒng)正常運(yùn)行。

調(diào)光器網(wǎng)絡(luò)接口特點(diǎn)：可靠的熱拔插通信接口，兩個(gè)并列DMX512接口；一個(gè)高速雙工接口，方便系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)化控制管理。

調(diào)光器產(chǎn)品生產(chǎn)特點(diǎn)：產(chǎn)品生產(chǎn)過(guò)程中不需要半成品的多次配合調(diào)試，整機(jī)一次合成，達(dá)到高質(zhì)量工作設(shè)計(jì)要求，方便生產(chǎn)。

3 技術(shù)應(yīng)用前景

目前，本項(xiàng)目成果——智能正弦波調(diào)光柜已正式批量生產(chǎn)并進(jìn)入市場(chǎng)，產(chǎn)品的各項(xiàng)性能指標(biāo)均達(dá)到國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)，而價(jià)格比同類(lèi)的國(guó)外產(chǎn)品低五成左右。目前批量生產(chǎn)有四個(gè)系列十幾個(gè)品種，既有高端產(chǎn)品也有小型壁掛型產(chǎn)品，功率輸出由2 kW到6 kW。為了滿(mǎn)足不同行業(yè)的用戶(hù)需求，更大輸出功率的智能正弦波調(diào)光產(chǎn)品不久也將陸續(xù)推出。