交流設備中的電源控制

當今的許多技術，例如 LED 和直流電機，已經(jīng)使設計人員和制造商習慣于使用相對簡單的方法來將部分能量轉(zhuǎn)移到負載上（例如 LED 調(diào)光或無刷速度控制）。當負載不是直流電而是交流電供電時，這種簡單性，無論是概念上的還是實際的，都會部分減少：燈泡、交流電機、加熱元件和許多電感負載都具有這種特性。如何智能、高效、無問題地控制此類設備？在本文中，我們將通過提供最常用技術的概述來嘗試闡明這一概念。

增益調(diào)制：基本方法

從歷史上看，與交流設備中的部分能量傳輸有關的第一個要解決的問題是燈絲燈泡的調(diào)光。該設備接收電源電壓（在 50 / 60Hz 頻率下從 230V 交替），從而提供最大亮度（和最大功耗）。解決問題的第一種方法是最明顯的：通過可變電阻器（電位器）在負載上發(fā)送較低的電流值；更少的電流、更少的燈絲功耗、更低的亮度：這很簡單（圖 1）。

圖 1：交流增益調(diào)制（來源：ECMWEB）

從效率的角度來看，今天這種解決方案是不可接受的：如果確實一方面問題解決了，另一方面能量守恒定律要求部分功率耗散在電位器上熱的形式，這被浪費了。這不是最好的解決方案，如今有更智能、更高效的解決方案，導致電路更復雜。

交流負載中的脈寬調(diào)制 (PWM)

脈寬調(diào)制，俗稱 PWM，是一種調(diào)制技術，允許您根據(jù)控制信號將功率傳輸?shù)截撦d：當信號為高時，負載將以最大可用功率供電，當信號為低時，負載將不會獲得電力。根據(jù)此信號的激活頻率，以及處于高而不是低狀態(tài)（占空比）的時間，負載將獲得或多或少的功率；這樣，傳輸?shù)截撦d的能量（電壓的有效值）可以在 0（始終低控制）到 100%（始終高控制）之間變化。這種類型的調(diào)制最常用于直流設備的功率調(diào)節(jié)（想想 LED 的調(diào)光、無刷電機或開關電源的控制，之所以這么稱呼是因為負載上的電壓連續(xù)切換）。

如何將PWM應用于交流設備？

如果我們想使用與直流負載相同的PWM控制原理，則方案如圖2所示。

圖 2：交流 PWM 方案（來源：Research Gate）

很明顯，盡管概念相對簡單，但電路實現(xiàn)和控制開始變得復雜。此外，由于電磁輻射會將噪聲引入線路，并可能對受電設備造成損壞（或至少會縮短組件的使用壽命），因此不希望在網(wǎng)絡線路上連續(xù)切換。

我們?nèi)绾卧诓粨p壞設備的情況下更好地利用 PWM，限制引入網(wǎng)絡的輻射？

過零檢測

在繼續(xù)使用更高級的方法之前，我們必須介紹過零檢測的概念，即檢測 AC 中正弦的 0 通道的技術。

該技術涉及使用當交流電源信號值為 0 時產(chǎn)生控制脈沖的電路；作為正弦信號，這在每個周期發(fā)生兩次，在 50Hz 的電源電壓的情況下，每秒發(fā)生一百次（每 10 毫秒一個脈沖）。知道正弦波何時為 0 時，可以通過限制二次諧波的產(chǎn)生進行切換，或決定執(zhí)行切換的時間延遲，直到下一步為 0。

過零的電路實現(xiàn)是通過光電耦合器或交流光電晶體管來實現(xiàn)的，如圖3所示。

圖 3：交流光電晶體管過零檢測原理圖（來源：作者）

在交流光電晶體管中，向晶體管發(fā)射脈沖的組件是雙向二極管或雙端器件，由兩個反向并聯(lián)配置的二極管組成。經(jīng)典的交流光電晶體管是 H11AA1。

另一個重要的器件是三端雙向可控硅開關器件，一種三端器件，其中兩個端子稱為陽極，是受控電流的通路，而第三個，即定義的柵極，是控制輸入：當柵極為低電平時，交流信號的導通是被禁止的，而當柵極為高電平時，交流信號的導通是允許的，直到下一次通過0（半周期結束）。從物理上講，三端雙向可控硅開關由兩個反向并聯(lián)的 SCR 組成，門極短路。

也有一些器件，如光電晶體管或固態(tài)繼電器，其內(nèi)部具有用于檢測過零的電路，但之前電路的實現(xiàn)使我們能夠更好地理解問題并精確控制電路的行為。事實上，通過使用過零檢測電路和微控制器，我們可以實現(xiàn)猝發(fā)控制和相位角控制技術；微控制器命令基于所選的驅(qū)動算法，觸發(fā)功率傳輸組件，通常是三端雙向可控硅（如 BTA140）或光電三端雙向可控硅（如 MOC3052 或 MOC3011）。

連發(fā)射擊控制

這種技術可以看作是一種 PWM，其中開關頻率和占空比是正弦波周期的倍數(shù)。在實踐中，一旦規(guī)定了調(diào)制周期必須持續(xù)多少個周期，三端雙向可控硅開關在每一步被激活為 0，以遵守既定的占空比。這樣，三端雙向可控硅開關總是在電流接近0時導通和關斷，以免產(chǎn)生二次諧波。在圖 4 中可以看到一個時間圖的例子。因此，傳輸?shù)截撦d的功率將與占空比成正比。

圖4：連發(fā)控制時序圖（來源：Practical Control）

從 EMC 的角度來看，這種技術無疑易于實施且可靠；然而，激活周期必須在了解深度負載特性的情況下進行選擇：雖然對于電阻來說，預計需要相對較長的周期（存在無法傳遞足夠能量的風險），但對于電機或其他執(zhí)行器，該參數(shù)可能完全不同。

相角控制

控制傳輸?shù)截撦d的能量的最流行的技術之一是相位角控制：當越過 0 時，在激活三端雙向可控硅開關的柵極（這將允許通過電流直到半周期結束）。以這種方式，權力的轉(zhuǎn)移僅在一部分時期內(nèi)發(fā)生。

脈沖串觸發(fā)控制基于活動周期和非活動周期之間的關系，而相位角控制基于周期內(nèi)傳輸?shù)哪芰堪俜直取?/p>

該控制的時序圖如圖 5 所示。

圖5：相角控制時序圖（來源：Practical Control）

該技術可用于所有類型的負載，引入放電電路（緩沖器）以避免感性負載出現(xiàn)問題。

軟啟動和連發(fā)控制

一個更聰明、更優(yōu)雅的解決方案，以及一個在實踐中非常有用的功能，是將軟啟動與連發(fā)控制相結合。一些執(zhí)行器，例如電動機，不能直接以最大功率運行（普通大型電動機的動量差異往往會使它脫離地面?。?，因此它們需要一個軟啟動機構，可以通過插入設備開機時的相位角控制，其主要控制方式仍然是點陣控制。在軟啟動期間，觸發(fā)角逐漸增加傳輸?shù)截撦d的功率，最高可達 0 度，并最終導致突發(fā)點火控制。

綜上所述

交流負載的驅(qū)動現(xiàn)在是一個相當統(tǒng)一的話題，有許多技術可以解決這個問題。新技術基于對能源效率的探索以及減少電網(wǎng)上危險和惱人的尖峰。

應該注意的是，在文章中描述的驅(qū)動技術中，輸入電流的頻率沒有改變，但功率傳輸僅提供負載上使用的能量的時間切片。

此外，還開發(fā)了采用 SiC 和 GaN 技術的新型 SCR 和三端雙向可控硅開關器件，從而增加了支持的功率和更高的熱穩(wěn)定性。

審核編輯：劉清