CN103746568B - 一种紧凑型正弦恒流调光装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种紧凑型正弦恒流调光装置，包括数字信号处理单元、驱动电路、输入滤波电路、交交斩波电路、输出滤波电路、隔离升压变压器，所述交交斩波电路包括：前向传输电路和后向传输电路。本发明针对共集电极型双向开关结构的交交斩波正弦恒流调光方案结构和控制方式复杂、系统可靠性不高以及功率密度较低等问题，提出了一种易于实现的紧凑型交交斩波正弦恒流调光方案。该方案对输入交流恒压源进行高频斩控，实现了高精度恒流输出，实际装置的结构紧凑、工作稳定可靠、易于实现功率单元模块化。

Description

一种紧凑型正弦恒流调光装置

技术领域

本发明涉及电力电子工程技术领域，具体涉及一种对称结构的紧凑型交交斩波正弦恒流调光装置。

背景技术

在封闭环境下工作的人员长期进行空间内部工作生活，视觉灵敏度下降，工作效率降低。具备调光功能的照明系统在提供足够照度的同时，能为工作人员提供合适的视觉刺激，保持其视觉灵敏度，并能显著降低能源消耗。

目前，已有在照明灯具中内置低压小功率调光装置的分布式调光方案，该方案的问题在于灯具的工作电流难以做到完全一致，灯具间存在照度差异。此外，整个照明系统结构复杂，难以满足照明系统高可靠性的要求。据了解，民用航空领域已有较为成熟的助航灯光相控调光方案，该方案在升压变压器副边通过多个隔离变压器串联助航灯具回路，可确保流经每个灯具的电流完全一致。由于变压器的隔离作用，单个灯具的损坏并不会影响其他灯具的正常工作，保证了照明系统的高可靠性。该方案的主要问题在于，晶闸管相控斩波控制导致网侧功率因数低、谐波含量丰富、负载侧波峰系数高，严重影响电网供电品质和灯具使用寿命，供电电缆的有效绝缘强度也因此大打折扣。随着电力电子器件工艺水平的发展，近年来出现了采用交-直-交主电路结构的正弦恒流调光装置，但直流环节大容量的电解电容，使得该方案的可靠性并不是很高。

交-交直接变换电路通过省去传统交-直-交间接变换电路的中间直流环节，大大提高了系统可靠性。当前，工业界现成的双向电力电子开关器件并不多见，一般需要设计者采用多个开关器件组合，因此交-交直接变换电路的结构和控制都比较复杂，影响了交交斩波正弦恒流调光装置的实用化。

发明内容

本发明的目的是为了克服现有交交斩波正弦恒流调光方案主电路拓扑结构和控制方式复杂、系统可靠性不高以及功率密度较低等问题，提供一种综合性能良好且易于实现的紧凑型交交斩波正弦恒流调光装置。

为了实现上述目的，本发明提供了一种紧凑型正弦恒流调光装置，其包括数字信号处理单元、驱动电路、输入滤波电路、交交斩波电路、输出滤波电路、隔离升压变压器，所述交交斩波电路包括：前向传输电路和后向传输电路，其特征在于，

所述数字信号处理单元连接至所述驱动电路；

所述驱动电路连接至交交斩波电路，以驱动所述交交斩波电路；

所述输入滤波电路的两输入端分别连接在交流输入端的两个接线端上，所述输入滤波电路的第一输出端与所述前向传输电路的第一端点连接，所述输入滤波电路的第二输出端与所述后向传输电路的第一端点连接，所述前向传输电路的第二端点与所述后向传输电路的第二端点连接；

所述前向传输电路的第一输出端和所述后向传输电路的第一输出端分别与所述输出滤波电路的两个输入端连接；

所述输出滤波电路的两个输出端分别与所述隔离升压变压器的两个输入端连接；

所述隔离升压变压器的输出端作为所述紧凑型正弦恒流调光装置的输出，用以对照明灯具串联回路进行供电。

进一步地，所述前向传输电路包括第一绝缘门极双极型晶体管、第一功率二极管、第二绝缘门极双极型晶体管、第二功率二极管和第一缓冲吸收电容，所述第一绝缘门极双极型晶体管与所述第一功率二极管反向并联形成第一反并联结构，所述第二绝缘门极双极型晶体管和第二功率二极管反向并联形成第二反并联结构，所述输入滤波电路的第一输出端连接到所述第一反并联结构的第一连接端，所述第一反并联结构在其第二连接端与所述第二反并联结构串联连接；

所述第一反并联结构与所述第二反并联结构的连接点还连接到所述输出滤波电路的第一输入端，所述第一反并联结构与所述第二反并联结构串联后，再与所述第一缓冲吸收电容并联连接。

进一步地，所述后向传输电路包括第三绝缘门极双极型晶体管、第三功率二极管、第四绝缘门极双极型晶体管、第四功率二极管和第二缓冲吸收电容，所述第三绝缘门极双极型晶体管与所述第三功率二极管反向并联形成第三反并联结构，所述第四绝缘门极双极型晶体管和第四功率二极管反向并联形成第四反并联结构，所述输入滤波电路的第二输出端连接到所述第三反并联结构的第一连接端，所述第三反并联结构在其第二连接端与所述第四反并联结构串联连接；

所述第三反并联结构与所述第四反并联结构的连接点还连接到所述输出滤波电路的第二输入端，所述第三反并联结构与所述第四反并联结构串联后，再与所述第二缓冲吸收电容并联连接。

进一步地，所述数字信号处理单元包括：锁相环、极性控制模块、电流控制器、电压控制器、绝对值电路、三角波发生器、比较器、第一反相器、第二反相器，

所述锁相环对所述输入滤波电路中的滤波电容C1的两端电压u_C1进行相位跟踪，获得待输出的正弦电压的频率和相位；

所述极性控制模块对所述滤波电容C1的端电压u_C1的极性进行检测并输出相应的电平信号；

所述电流控制器接收所述隔离升压变压器的输出端实际电流的有效值I与电流预设值I_ref之间的偏差，并计算出待输出的正弦电压的幅值；

所述数字信号处理单元基于所述待输出的正弦电压的幅值、频率和相位，确定待输出的正弦电压的瞬时值以发出相应指令；

所述电压控制器接收所述隔离升压变压器的输入端实际电压的瞬时值u_o与所述数字信号处理单元所发出的电压指令的对应值u_ref之间的偏差，经过所述电压控制器和绝对值电路，计算得到待输出的正弦电压的调制比指令；

所述三角波发生器输出单极性高频三角载波给所述比较器；

所述比较器接收所述调制比指令和所述单极性高频三角载波，得到高频脉冲序列信号；

所述第一反相器接收所述高频脉冲序列信号，并输出与之反相的脉冲序列信号；

所述第二反相器接收所述极性控制模块输出的电平信号，并输出与之反相的电平信号，所述第一反相器和所述第二反相器分别与四个或门电路连接，以使得所述输入滤波电容C1端电压u_C1大于零时，所述第三绝缘门极双极型晶体管和所述第四绝缘门极双极型晶体管恒导通，所述第一绝缘门极双极型晶体管和所述第二绝缘门极双极型晶体管互补导通；所述输入滤波电容C1端电压u_C1小于零时，所述第一绝缘门极双极型晶体管和所述第二绝缘门极双极型晶体管恒导通，所述第三绝缘门极双极型晶体管和所述第四绝缘门极双极型晶体管互补导通。

本发明的优点在于：

1、本发明能够实现正弦恒流输出，且令灯具照度一致性高，人员舒适性好。

2、本发明能够保证电网侧谐波污染少、功率因数高，负载侧谐波含量少、波峰系数小。

3、本发明中对称结构的紧凑型正弦恒流调光装置不含中间直流环节，需要的电容和电感数量少，主电路结构简单，系统效率高。

4、本发明可采用主流的半桥型电力电子开关器件实现，每只半桥模块两端仅承受脉动的直流电压，因此缓冲电路可用普通电解电容串联功率电阻实现，缓冲电路结构简单，系统功率密度高。

附图说明

图1为根据本发明一个实施例的交交斩波正弦恒流调光装置的主电路拓扑结构图。

图2为图1所示实施例中的交交斩波正弦恒流调光装置的控制框图。

图3为图1所示实施例中的交交斩波正弦恒流调光装置工作在功率传输模式。

图4为图1所示实施例中的交交斩波正弦恒流调光装置工作在死区模式下的示意图。

图5为图1所示实施例中的交交斩波正弦恒流调光装置工作在续流模式下的示意图。

图6为图1所示实施例中的交交斩波正弦恒流调光装置的控制效果仿真图，其中，自上而下的五张图依次为：输入滤波电容电压u_C1和输出电流i_o波形，四个开关管T1～T4的门极驱动电压波形。

图7为交交斩波正弦恒流调光装置中半桥单元两端电压波形。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的技术方案作进一步地说明。

图1示出了本发明的一个实施例的紧凑型正弦恒流调光装置。在本实施例中，紧凑型正弦恒流调光装置的额定功率为15kVA，绝缘门极双极型晶体管的开关频率为10kHz。该紧凑型正弦恒流调光装置包括数字信号处理单元、驱动电路、输入滤波电路、交交斩波电路、输出滤波电路、隔离升压变压器，所述交交斩波电路包括：前向传输电路和后向传输电路。

如图1所示，该电路包括输入滤波电感L1、输入滤波电容C1、构成双向斩波开关的绝缘门极双极型晶体管T1、T2、T3、T4、输出滤波电感L2、输出滤波电容C2、升压变压器TM1。输入端火线与输入滤波电感L1的一端连接，输入滤波电容C1的一端与输入端零线连接；输入滤波电感L1和输入滤波电容C1的公共端与绝缘门极双极型晶体管T1的集电极连接，绝缘门极双极型晶体管T3的集电极与输入端零线连接，绝缘门极双极型晶体管T2与绝缘门极双极型晶体管T4共发射极连接，绝缘门极双极型晶体管T1和绝缘门极双极型晶体管T2的公共端与输出滤波电感L2的一端连接，绝缘门极双极型晶体管T3和绝缘门极双极型晶体管T4的公共端与输出滤波电容C2的一端连接；输出滤波电感L2的另一端和输出滤波电容的C2一端连接，升压变压器TM1的原边和输出滤波电容C2并联，升压变压器TM1的副边作为调光装置的输出端，与灯具串联回路连接。对所述绝缘门极双极型晶体管T1、T2、T3、T4进行通断控制，从而实现电流的正弦输出。

另外，如图1所示，每个绝缘门极双极型晶体管两端反向并联一个功率二极管，例如绝缘门极双极型晶体管T1两端反向并联功率二极管D1。此外，绝缘门极双极型晶体管T1和T2串联后，再与一个缓冲吸收电容C3并联，绝缘门极双极型晶体管T3和T4串联后，再与一个缓冲吸收电容C4并联。

图2为图1所示实施例中的交交斩波正弦恒流调光装置的控制框图。如图所示，该数字信号处理单元包括：锁相环1、极性控制模块2、电流控制器3、电压控制器4、绝对值电路5、三角波发生器6、比较器7、第一反相器8、第二反相器9。图2中的标记10-13分别代表用于T1、T3、T2、T4的驱动电路。

锁相环1对输入滤波电路中的滤波电容C1的两端电压u_C1进行相位跟踪，获得待输出的正弦电压的频率和相位。极性控制模块2对滤波电容C1的端电压u_C1的极性进行检测并输出相应的电平信号，例如，当端电压u_C1的极性为正时输出高电平，反之，输出低电平。

电流控制器3接收隔离升压变压器的输出端实际电流的有效值I与电流预设值I_ref之间的偏差，并计算出待输出的正弦电压的幅值。数字信号处理单元基于待输出的正弦电压的幅值、频率和相位，确定待输出的正弦电压的瞬时值以发出相应指令，该指令反映待输出正弦电压的当前值。

电压控制器4接收隔离升压变压器的输入端实际电压的瞬时值u_o与数字信号处理单元所发出的电压指令的对应值u_ref之间的偏差，经过电压控制器3和绝对值电路5，计算得到待输出的正弦电压的调制比指令，该调制比指令反映待输出正弦电压的瞬时标么值。

三角波发生器6输出单极性高频三角载波给比较器7，比较器7接收调制比指令和单极性高频三角载波，得到高频脉冲序列信号。第一反相器8接收高频脉冲序列信号，并输出与之反相的脉冲序列信号。第二反相器9接收极性控制模块输出的电平信号，并输出与之反相的电平信号，第一反相器和第二反相器分别与四个或门电路连接，以使得输入滤波电容C1端电压u_C1大于零时，绝缘门极双极型晶体管T3和绝缘门极双极型晶体管T4恒导通，绝缘门极双极型晶体管T1和绝缘门极双极型晶体管T2互补导通；输入滤波电容C1端电压u_C1小于零时，绝缘门极双极型晶体管T1和绝缘门极双极型晶体管T2恒导通，绝缘门极双极型晶体管T3和绝缘门极双极型晶体管T4互补导通。

在上述调制方式下，每个开关器件（包含绝缘门极双极型晶体管及其反并联的功率二极管）都在1/2个基波周期内恒定导通，有助于降低正弦恒流调光装置的开关损耗。

上述技术方案中，正弦恒流调光装置在一个开关周期内存在功率传输、死区和续流3种模式。图3-5分别示出了三种模式下的工作状况。以输入滤波电容C1端电压u_C1大于零为例，图3中示出了功率传输模式，此时绝缘门极双极型晶体管T1、T3、T4导通，绝缘门极双极型晶体管T2截止，根据电感电流的具体方向，能量从电源传输到负载或从负载回馈到电源。图4中示出了死区模式，此时绝缘门极双极型晶体管T3、T4导通，绝缘门极双极型晶体管T1、T2截止，根据电感电流的具体方向，电感电流经过绝缘门极双极型晶体管T2、T4续流或者经过绝缘门极双极型晶体管T1、T3回馈能量。图5中示出了续流模式，绝缘门极双极型晶体管T2、T3、T4导通，绝缘门极双极型晶体管T1截止，电感电流经过绝缘门极双极型晶体管T2、T4续流。

如图6所示，本发明利用MATLAB仿真软件中的SimPowerSystems工具建模，对本发明的正弦恒流调光装置进行验证。最上部的图为输入滤波电容电压u_C1和输出电流i_o波形，下面分别为开关管T1～T4的门极驱动电压波形。由图中可以看出，本发明的稳态输出电流谐波含量低，通过闭环控制能够实现输出电流的正弦调节。

如图7所示，上图为T1、T2半桥模块两端电压，下图为T3、T4半桥模块两端电压。由图中可以看出，本发明中每只半桥模块均只承受脉动的直流电压，因此缓冲电路得以简化。

本发明不仅局限于上述具体实施方式，本领域一般技术人员根据实施例和附图公开内容，可以采用其它多种具体实施方式实施本发明，因此，凡是采用本发明的设计结构和思路，做一些简单的变换或更改的设计，都落入本发明保护的范围。

Claims (1)

1.一种紧凑型正弦恒流调光装置，其包括数字信号处理单元、驱动电路、输入滤波电路、交交斩波电路、输出滤波电路、隔离升压变压器，所述交交斩波电路包括：前向传输电路和后向传输电路，其特征在于，

所述数字信号处理单元连接至所述驱动电路；

所述驱动电路连接至交交斩波电路，以驱动所述交交斩波电路；

所述输入滤波电路的两输入端分别连接在交流输入端的两个接线端上，所述输入滤波电路的第一输出端与所述前向传输电路的第一端点连接，所述输入滤波电路的第二输出端与所述后向传输电路的第一端点连接，所述前向传输电路的第二端点与所述后向传输电路的第二端点连接；

所述前向传输电路的第一输出端和所述后向传输电路的第一输出端分别与所述输出滤波电路的两个输入端连接；

所述输出滤波电路的两个输出端分别与所述隔离升压变压器的两个输入端连接；

所述隔离升压变压器的输出端作为所述紧凑型正弦恒流调光装置的输出，用以对照明灯具串联回路进行供电；

所述前向传输电路包括第一绝缘门极双极型晶体管、第一功率二极管、第二绝缘门极双极型晶体管、第二功率二极管和第一缓冲吸收电容，所述第一绝缘门极双极型晶体管与所述第一功率二极管反向并联形成第一反并联结构，所述第二绝缘门极双极型晶体管和第二功率二极管反向并联形成第二反并联结构，所述输入滤波电路的第一输出端连接到所述第一反并联结构的第一连接端，所述第一反并联结构在其第二连接端与所述第二反并联结构串联连接；

所述第一反并联结构与所述第二反并联结构的连接点还连接到所述输出滤波电路的第一输入端，所述第一反并联结构与所述第二反并联结构串联后，再与所述第一缓冲吸收电容并联连接；

所述后向传输电路包括第三绝缘门极双极型晶体管、第三功率二极管、第四绝缘门极双极型晶体管、第四功率二极管和第二缓冲吸收电容，所述第三绝缘门极双极型晶体管与所述第三功率二极管反向并联形成第三反并联结构，所述第四绝缘门极双极型晶体管和第四功率二极管反向并联形成第四反并联结构，所述输入滤波电路的第二输出端连接到所述第三反并联结构的第一连接端，所述第三反并联结构在其第二连接端与所述第四反并联结构串联连接；

所述第三反并联结构与所述第四反并联结构的连接点还连接到所述输出滤波电路的第二输入端，所述第三反并联结构与所述第四反并联结构串联后，再与所述第二缓冲吸收电容并联连接；

所述数字信号处理单元包括：锁相环(1)、极性控制模块(2)、电流控制器(3)、电压控制器(4)、绝对值电路(5)、三角波发生器(6)、比较器(7)、第一反相器(8)、第二反相器(9)，

所述锁相环(1)对所述输入滤波电路中的滤波电容C1的两端电压u_C1进行相位跟踪，获得待输出的正弦电压的频率和相位；

所述极性控制模块(2)对所述滤波电容C1的端电压u_C1的极性进行检测并输出相应的电平信号；

所述电流控制器(3)接收所述隔离升压变压器的输出端实际电流的有效值I与电流预设值I_ref之间的偏差，并计算出待输出的正弦电压的幅值；

所述数字信号处理单元基于所述待输出的正弦电压的幅值、频率和相位，确定待输出的正弦电压的瞬时值以发出相应指令；

所述电压控制器接收所述隔离升压变压器的输入端实际电压的瞬时值u_o与所述数字信号处理单元所发出的电压指令的对应值u_ref之间的偏差，经过所述电压控制器(3)和绝对值电路(5)，计算得到待输出的正弦电压的调制比指令；

所述三角波发生器(6)输出单极性高频三角载波给所述比较器(7)；

所述比较器(7)接收所述调制比指令和所述单极性高频三角载波，得到高频脉冲序列信号；

所述第一反相器(8)接收所述高频脉冲序列信号，并输出与之反相的脉冲序列信号；

所述第二反相器(9)接收所述极性控制模块输出的电平信号，并输出与之反相的电平信号，所述第一反相器和所述第二反相器分别与四个或门电路连接，以使得所述输入滤波电容C1端电压u_C1大于零时，所述第三绝缘门极双极型晶体管和所述第四绝缘门极双极型晶体管恒导通，所述第一绝缘门极双极型晶体管和所述第二绝缘门极双极型晶体管互补导通；所述输入滤波电容C1端电压u_C1小于零时，所述第一绝缘门极双极型晶体管和所述第二绝缘门极双极型晶体管恒导通，所述第三绝缘门极双极型晶体管和所述第四绝缘门极双极型晶体管互补导通。