一種緊湊型正弦恆流調光裝置製造方法
2023-06-02 23:31:36
一種緊湊型正弦恆流調光裝置製造方法
【專利摘要】本發明涉及一種緊湊型正弦恆流調光裝置，包括數位訊號處理單元、驅動電路、輸入濾波電路、交交斬波電路、輸出濾波電路、隔離升壓變壓器，所述交交斬波電路包括：前向傳輸電路和後向傳輸電路。本發明針對共集電極型雙向開關結構的交交斬波正弦恆流調光方案結構和控制方式複雜、系統可靠性不高以及功率密度較低等問題，提出了一種易於實現的緊湊型交交斬波正弦恆流調光方案。該方案對輸入交流恆壓源進行高頻斬控，實現了高精度恆流輸出，實際裝置的結構緊湊、工作穩定可靠、易於實現功率單元模塊化。
【專利說明】一種緊湊型正弦恆流調光裝置【技術領域】
[0001]本發明涉及電力電子工程【技術領域】，具體涉及一種對稱結構的緊湊型交交斬波正弦恆流調光裝置。
【背景技術】
[0002]在封閉環境下工作的人員長期進行空間內部工作生活，視覺靈敏度下降，工作效率降低。具備調光功能的照明系統在提供足夠照度的同時，能為工作人員提供合適的視覺刺激，保持其視覺靈敏度，並能顯著降低能源消耗。
[0003]目前，已有在照明燈具中內置低壓小功率調光裝置的分布式調光方案，該方案的問題在於燈具的工作電流難以做到完全一致，燈具間存在照度差異。此外，整個照明系統結構複雜，難以滿足照明系統高可靠性的要求。據了解，民用航空領域已有較為成熟的助航燈光相控調光方案，該方案在升壓變壓器副邊通過多個隔離變壓器串聯助航燈具迴路，可確保流經每個燈具的電流完全一致。由於變壓器的隔離作用，單個燈具的損壞並不會影響其他燈具的正常工作，保證了照明系統的高可靠性。該方案的主要問題在於，晶閘管相控斬波控制導致網側功率因數低、諧波含量豐富、負載側波峰係數高，嚴重影響電網供電品質和燈具使用壽命，供電電纜的有效絕緣強度也因此大打折扣。隨著電力電子器件工藝水平的發展，近年來出現了採用交-直-交主電路結構的正弦恆流調光裝置，但直流環節大容量的電解電容，使得該方案的可靠性並不是很高。
[0004]交-交直接變換電路通過省去傳統交-直-交間接變換電路的中間直流環節,大大提高了系統可靠性。當前，工業界現成的雙向電力電子開關器件並不多見，一般需要設計者採用多個開關器件 組合，因此交-交直接變換電路的結構和控制都比較複雜，影響了交交斬波正弦恆流調光裝置的實用化。
【發明內容】
[0005]本發明的目的是為了克服現有交交斬波正弦恆流調光方案主電路拓撲結構和控制方式複雜、系統可靠性不高以及功率密度較低等問題，提供一種綜合性能良好且易於實現的緊湊型交交斬波正弦恆流調光裝置。
[0006]為了實現上述目的，本發明提供了一種緊湊型正弦恆流調光裝置，其包括數位訊號處理單元、驅動電路、輸入濾波電路、交交斬波電路、輸出濾波電路、隔離升壓變壓器，所述交交斬波電路包括:前向傳輸電路和後向傳輸電路，其特徵在於，
[0007]所述數位訊號處理單元連接至所述驅動電路；
[0008]所述驅動電路連接至交交斬波電路，以驅動所述交交斬波電路；
[0009]所述輸入濾波電路的兩輸入端分別連接在交流輸入端的兩個接線端上，所述輸入濾波電路的第一輸出端與所述前向傳輸電路的第一端點連接，所述輸入濾波電路的第二輸出端與所述後向傳輸電路的第一端點連接，所述前向傳輸電路的第二端點與所述後向傳輸電路的第二端點連接；[0010]所述前向傳輸電路的第一輸出端和所述後向傳輸電路的第一輸出端分別與所述輸出濾波電路的兩個輸入端連接；
[0011]所述輸出濾波電路的兩個輸出端分別與所述隔離升壓變壓器的兩個輸入端連接；
[0012]所述隔離升壓變壓器的輸出端作為所述緊湊型正弦恆流調光裝置的輸出，用以對照明燈具串聯迴路進行供電。
[0013]進一步地，所述前向傳輸電路包括第一絕緣門極雙極型電晶體、第一功率二極體、第二絕緣門極雙極型電晶體、第二功率二極體和第一緩衝吸收電容，所述第一絕緣門極雙極型電晶體與所述第一功率二極體反向並聯形成第一反並聯結構，所述第二絕緣門極雙極型電晶體和第二功率二極體反向並聯形成第二反並聯結構，所述輸入濾波電路的第一輸出端連接到所述第一反並聯結構的第一連接端，所述第一反並聯結構在其第二連接端與所述第二反並聯結構串聯連接；
[0014]所述第一反並聯結構與所述第二反並聯結構的連接點還連接到所述輸出濾波電路的第一輸入端，所述第一反並聯結構與所述第二反並聯結構串聯後，再與所述第一緩衝吸收電容並聯連接。
[0015]進一步地，所述後向傳輸電路包括第三絕緣門極雙極型電晶體、第三功率二極體、第四絕緣門極雙極型電晶體、第四功率二極體和第二緩衝吸收電容，所述第三絕緣門極雙極型電晶體與所述第三功率二極體反向並聯形成第三反並聯結構，所述第四絕緣門極雙極型電晶體和第四功率二極體反向並聯形成第四反並聯結構，所述輸入濾波電路的第二輸出端連接到所述第三反並聯結構的第一連接端，所述第三反並聯結構在其第二連接端與所述第四反並聯結構串聯連接；
[0016]所述第三反並聯結構與所述第四反並聯結構的連接點還連接到所述輸出濾波電路的第二輸入端，所述第三反並聯結構與所述第四反並聯結構串聯後，再與所述第二緩衝吸收電容並聯連接。
[0017]進一步地，所述數位訊號處理單元包括:鎖相環、極性控制模塊、電流控制器、電壓控制器、絕對值電路、三角波發生器、比較器、第一反相器、第二反相器，
[0018]所述鎖相環對所述輸入濾波電路中的濾波電容Cl的兩端電壓Ua進行相位跟蹤，獲得待輸出的正弦電壓的頻率和相位；
[0019]所述極性控制模塊對所述濾波電容Cl的端電壓Ua的極性進行檢測並輸出相應的電平信號；
[0020]所述電流控制器接收所述隔離升壓變壓器的輸出端實際電流的有效值I與電流預設值IMf之間的偏差，並計算出待輸出的正弦電壓的幅值；
[0021]所述數位訊號處理單元基於所述待輸出的正弦電壓的幅值、頻率和相位，確定待輸出的正弦電壓的瞬時值以發出相應指令；
[0022]所述電壓控制器接收所述隔離升壓變壓器的輸入端實際電壓的瞬時值U。與所述數位訊號處理單元所發出的電壓指令的對應值Uref之間的偏差，經過所述電壓控制器和絕對值電路，計算得到待輸出的正弦電壓的調製比指令；
[0023]所述三角波發生器輸出單極性高頻三角載波給所述比較器；
[0024]所述比較器接收所述調製比指令和所述單極性高頻三角載波，得到高頻脈衝序列信號;
[0025]所述第一反相器接收所述高頻脈衝序列信號，並輸出與之反相的脈衝序列信號；
[0026]所述第二反相器接收所述極性控制模塊輸出的電平信號，並輸出與之反相的電平信號，所述第一反相器和所述第二反相器分別與四個或門電路連接，以使得所述輸入濾波電容Cl端電壓Ua大於零時，所述第三絕緣門極雙極型電晶體和所述第四絕緣門極雙極型電晶體恆導通，所述第一絕緣門極雙極型電晶體和所述第二絕緣門極雙極型電晶體互補導通；所述輸入濾波電容Cl端電壓1^小於零時，所述第一絕緣門極雙極型電晶體和所述第二絕緣門極雙極型電晶體恆導通，所述第三絕緣門極雙極型電晶體和所述第四絕緣門極雙極型電晶體互補導通。
[0027]本發明的優點在於:
[0028]1、本發明能夠實現正弦恆流輸出，且令燈具照度一致性高，人員舒適性好。
[0029]2、本發明能夠保證電網側諧波汙染少、功率因數高，負載側諧波含量少、波峰係數小。
[0030]3、本發明中對稱結構的緊湊型正弦恆流調光裝置不含中間直流環節，需要的電容和電感數量少，主電路結構簡單，系統效率高。
[0031]4、本發明可採用主流的半橋型電力電子開關器件實現，每隻半橋模塊兩端僅承受脈動的直流電壓，因此緩衝電路可用普通電解電容串聯功率電阻實現，緩衝電路結構簡單，系統功率密度高。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0032]圖1為根據本發明一個實施例的交交斬波正弦恆流調光裝置的主電路拓撲結構圖。`
[0033]圖2為圖1所示實施例中的交交斬波正弦恆流調光裝置的控制框圖。
[0034]圖3為圖1所示實施例中的交交斬波正弦恆流調光裝置工作在功率傳輸模式。
[0035]圖4為圖1所示實施例中的交交斬波正弦恆流調光裝置工作在死區模式下的示意圖。
[0036]圖5為圖1所示實施例中的交交斬波正弦恆流調光裝置工作在續流模式下的示意圖。
[0037]圖6為圖1所示實施例中的交交斬波正弦恆流調光裝置的控制效果仿真圖，其中，自上而下的五張圖依次為:輸入濾波電容電壓Uci和輸出電流i。波形，四個開關管Tl~T4的門極驅動電壓波形。
[0038]圖7為交交斬波正弦恆流調光裝置中半橋單元兩端電壓波形。
【具體實施方式】
[0039]下面結合附圖對本發明的技術方案作進一步地說明。
[0040]圖1示出了本發明的一個實施例的緊湊型正弦恆流調光裝置。在本實施例中，緊湊型正弦恆流調光裝置的額定功率為15kVA，絕緣門極雙極型電晶體的開關頻率為10kHz。該緊湊型正弦恆流調光裝置包括數位訊號處理單元、驅動電路、輸入濾波電路、交交斬波電路、輸出濾波電路、隔離升壓變壓器，所述交交斬波電路包括:前向傳輸電路和後向傳輸電路。
[0041]如圖1所示，該電路包括輸入濾波電感L1、輸入濾波電容Cl、構成雙向斬波開關的絕緣門極雙極型電晶體T1、T2、T3、T4、輸出濾波電感L2、輸出濾波電容C2、升壓變壓器TMl。輸入端火線與輸入濾波電感LI的一端連接，輸入濾波電容Cl的一端與輸入端零線連接；輸入濾波電感LI和輸入濾波電容Cl的公共端與絕緣門極雙極型電晶體Tl的集電極連接，絕緣門極雙極型電晶體T3的集電極與輸入端零線連接，絕緣門極雙極型電晶體T2與絕緣門極雙極型電晶體T4共發射極連接，絕緣門極雙極型電晶體Tl和絕緣門極雙極型電晶體T2的公共端與輸出濾波電感L2的一端連接，絕緣門極雙極型電晶體T3和絕緣門極雙極型電晶體T4的公共端與輸出濾波電容C2的一端連接；輸出濾波電感L2的另一端和輸出濾波電容的C2 —端連接，升壓變壓器TMl的原邊和輸出濾波電容C2並聯，升壓變壓器TMl的副邊作為調光裝置的輸出端，與燈具串聯迴路連接。對所述絕緣門極雙極型電晶體Tl、T2、T3、T4進行通斷控制，從而實現電流的正弦輸出。
[0042]另外，如圖1所示，每個絕緣門極雙極型電晶體兩端反向並聯一個功率二極體，例如絕緣門極雙極型電晶體Tl兩端反向並聯功率二極體D1。此外，絕緣門極雙極型電晶體Tl和T2串聯後，再與一個緩衝吸收電容C3並聯，絕緣門極雙極型電晶體T3和T4串聯後，再與一個緩衝吸收電容C4並聯。
[0043]圖2為圖1所示實施例中的交交斬波正弦恆流調光裝置的控制框圖。如圖所示，該數位訊號處理單元包括:鎖相環1、極性控制模塊2、電流控制器3、電壓控制器4、絕對值電路5、三角波發生器6、比較器7、第一反相器8、第二反相器9。圖2中的標記10-13分別代表用於T1、T3、T2、T4的驅動電路。
[0044]鎖相環I對輸入濾波電路中的濾波電容Cl的兩端電壓Ua進行相位跟蹤，獲得待輸出的正弦電壓的頻率和相位。極性控制模塊2對濾波電容Cl的端電壓Ua的極性進行檢測並輸出相應的電平信號，例如，當端電壓Ua的極性為正時輸出高電平,反之,輸出低電平。
[0045]電流控制器3接收隔離升壓變壓器的輸出端實際電流的有效值I與電流預設值Iref之間的偏差，並計算出待輸出的正弦電壓的幅值。數位訊號處理單元基於待輸出的正弦電壓的幅值、頻率和相位，確定待輸出的正弦電壓的瞬時值以發出相應指令，該指令反映待輸出正弦電壓的當前值。
[0046]電壓控制器4接收隔離升壓變壓器的輸入端實際電壓的瞬時值U。與數位訊號處理單元所發出的電壓指令的對應值Uref之間的偏差，經過電壓控制器3和絕對值電路5，計算得到待輸出的正弦電壓的調製比指令，該調製比指令反映待輸出正弦電壓的瞬時標麼值。
[0047]三角波發生器6輸出單極性高頻三角載波給比較器7，比較器7接收調製比指令和單極性高頻三角載波，得到高頻脈衝序列信號。第一反相器8接收高頻脈衝序列信號，並輸出與之反相的脈衝序列信號。第二反相器9接收極性控制模塊輸出的電平信號，並輸出與之反相的電平信號，第一反相器和第二反相器分別與四個或門電路連接，以使得輸入濾波電容Cl端電壓ua大於零時，絕緣門極雙極型電晶體Τ3和絕緣門極雙極型電晶體Τ4恆導通，絕緣門極雙極型電晶體Tl和絕緣門極雙極型電晶體Τ2互補導通；輸入濾波電容Cl端電壓ua小於零時，絕緣門極雙極型電晶體Tl和絕緣門極雙極型電晶體Τ2恆導通，絕緣門極雙極型電晶體T3和絕緣門極雙極型電晶體T4互補導通。
[0048]在上述調製方式下，每個開關器件(包含絕緣門極雙極型電晶體及其反並聯的功率二極體)都在1/2個基波周期內恆定導通，有助於降低正弦恆流調光裝置的開關損耗。
[0049]上述技術方案中，正弦恆流調光裝置在一個開關周期內存在功率傳輸、死區和續流3種模式。圖3-5分別示出了三種模式下的工作狀況。以輸入濾波電容Cl端電壓ua大於零為例，圖3中示出了功率傳輸模式，此時絕緣門極雙極型電晶體T1、T3、T4導通，絕緣門極雙極型電晶體Τ2截止，根據電感電流的具體方向，能量從電源傳輸到負載或從負載回饋到電源。圖4中示出了死區模式，此時絕緣門極雙極型電晶體Τ3、Τ4導通，絕緣門極雙極型電晶體Τ1、Τ2截止，根據電感電流的具體方向，電感電流經過絕緣門極雙極型電晶體Τ2、Τ4續流或者經過絕緣門極雙極型電晶體Tl、Τ3回饋能量。圖5中示出了續流模式，絕緣門極雙極型電晶體Τ2、Τ3、Τ4導通，絕緣門極雙極型電晶體Tl截止，電感電流經過絕緣門極雙極型電晶體Τ2、Τ4續流。
[0050]如圖6所示，本發明利用MATLAB仿真軟體中的SimPowerSystems工具建模,對本發明的正弦恆流調光裝置進行驗證。最上部的圖為輸入濾波電容電壓ua和輸出電流i。波形，下面分別為開關管Tl?T4的門極驅動電壓波形。由圖中可以看出，本發明的穩態輸出電流諧波含量低，通過閉環控制能夠實現輸出電流的正弦調節。
[0051 ] 如圖7所示，上圖為Tl、T2半橋模塊兩端電壓，下圖為T3、T4半橋模塊兩端電壓。由圖中可以看出，本發明中每隻半橋模塊均只承受脈動的直流電壓，因此緩衝電路得以簡化。
[0052]本發明不僅局限於上述【具體實施方式】，本領域一般技術人員根據實施例和附圖公開內容，可以採用其它多種【具體實施方式】實施本發明，因此，凡是採用本發明的設計結構和思路，做一些簡單的變換或更改的設計，都落入本發明保護的範圍。
【權利要求】
1.一種緊湊型正弦恆流調光裝置，其包括數位訊號處理單元、驅動電路、輸入濾波電路、交交斬波電路、輸出濾波電路、隔離升壓變壓器，所述交交斬波電路包括:前向傳輸電路和後向傳輸電路，其特徵在於， 所述數位訊號處理單元連接至所述驅動電路； 所述驅動電路連接至交交斬波電路，以驅動所述交交斬波電路； 所述輸入濾波電路的兩輸入端分別連接在交流輸入端的兩個接線端上，所述輸入濾波電路的第一輸出端與所述前向傳輸電路的第一端點連接，所述輸入濾波電路的第二輸出端與所述後向傳輸電路的第一端點連接，所述前向傳輸電路的第二端點與所述後向傳輸電路的第二端點連接； 所述前向傳輸電路的第一輸出端和所述後向傳輸電路的第一輸出端分別與所述輸出濾波電路的兩個輸入端連接； 所述輸出濾波電路的兩個輸出端分別與所述隔離升壓變壓器的兩個輸入端連接； 所述隔離升壓變壓器的輸出端作為所述緊湊型正弦恆流調光裝置的輸出，用以對照明燈具串聯迴路進行供電。
2.根據權利要求1所述的緊湊型正弦恆流調光裝置，其特徵在於，所述前向傳輸電路包括第一絕緣門極雙極型電晶體、第一功率二極體、第二絕緣門極雙極型電晶體、第二功率二極體和第一緩衝吸收電容，所述第一絕緣門極雙極型電晶體與所述第一功率二極體反向並聯形成第一反並聯結構，所述第二絕緣門極雙極型電晶體和第二功率二極體反向並聯形成第二反並聯結構，所述輸入濾波電路的第一輸出端連接到所述第一反並聯結構的第一連接端，所述第一反並聯結構在其第二連接端與所述第二反並聯結構串聯連接； 所述第一反並聯結構與所述第二反並聯結構的連接點還連接到所述輸出濾波電路的第一輸入端，所述第一反並聯結構與所述第二反並聯結構串聯後，再與所述第一緩衝吸收電容並聯連接。
3.根據權利要求2所述的緊湊型正弦恆流調光裝置，其特徵在於，所述後向傳輸電路包括第三絕緣門極雙極型電晶體、第三功率二極體、第四絕緣門極雙極型電晶體、第四功率二極體和第二緩衝吸收電容，所述第三絕緣門極雙極型電晶體與所述第三功率二極體反向並聯形成第三反並聯結構，所述第四絕緣門極雙極型電晶體和第四功率二極體反向並聯形成第四反並聯結構，所述輸入濾波電路的第二輸出端連接到所述第三反並聯結構的第一連接端，所述第三反並聯結構在其第二連接端與所述第四反並聯結構串聯連接； 所述第三反並聯結構與所述第四反並聯結構的連接點還連接到所述輸出濾波電路的第二輸入端，所述第三反並聯結構與所述第四反並聯結構串聯後，再與所述第二緩衝吸收電容並聯連接。
4.根據權利要求3所述的緊湊型正弦恆流調光裝置，其特徵在於，所述數位訊號處理單元包括:鎖相環(I)、極性控制模塊(2)、電流控制器(3)、電壓控制器(4)、絕對值電路(5)、三角波發生器(6)、比較器(7)、第一反相器(8)、第二反相器(9)， 所述鎖相環(I)對所述輸入濾波電路中的濾波電容Cl的兩端電壓ua進行相位跟蹤，獲得待輸出的正弦電壓的頻率和相位； 所述極性控制模塊(2)對所述濾波電容Cl的端電Sua的極性進行檢測並輸出相應的電平信號；所述電流控制器(3)接收所述隔離升壓變壓器的輸出端實際電流的有效值I與電流預設值IMf之間的偏差，並計算出待輸出的正弦電壓的幅值； 所述數位訊號處理單元基於所述待輸出的正弦電壓的幅值、頻率和相位，確定待輸出的正弦電壓的瞬時值以發出相應指令； 所述電壓控制器接收所述隔離升壓變壓器的輸入端實際電壓的瞬時值U。與所述數位訊號處理單元所發出的電壓指令的對應值Uref之間的偏差，經過所述電壓控制器(3)和絕對值電路(5 )，計算得到待輸出的正弦電壓的調製比指令； 所述三角波發生器(6)輸出單極性高頻三角載波給所述比較器(7)； 所述比較器(7)接收所述調製比指令和所述單極性高頻三角載波，得到高頻脈衝序列信號; 所述第一反相器(8)接收所述高頻脈衝序列信號，並輸出與之反相的脈衝序列信號；所述第二反相器(9)接收所述極性控制模塊輸出的電平信號，並輸出與之反相的電平信號，所述第一反相器和所述第二反相器分別與四個或門電路連接，以使得所述輸入濾波電容Cl端電壓ua大於零時，所述第三絕緣門極雙極型電晶體和所述第四絕緣門極雙極型電晶體恆導通，所述第一絕緣門極雙極型電晶體和所述第二絕緣門極雙極型電晶體互補導通；所述輸入濾波電容Cl端電壓1^小於零時，所述第一絕緣門極雙極型電晶體和所述第二絕緣門極雙極型電晶體恆導通，所述第三絕緣門極雙極型電晶體和所述第四絕緣門極雙極型電晶體互補導通。`
【文檔編號】H05B37/02GK103746568SQ201310693487
【公開日】2014年4月23日 申請日期:2013年12月17日 優先權日:2013年12月17日
【發明者】歐陽暉, 蔡凱, 吳浩偉, 李小謙, 周樑, 徐正喜, 陳濤, 魏華, 姚川, 李鵬, 姜波, 李可維, 邢賀鵬, 金惠峰, 羅偉, 耿攀, 孫朝暉, 謝煒, 吳大立, 李興東, 餘躍聽, 雷津, 袁陽 申請人:中國船舶重工集團公司第七一九研究所