畅聊正弦波调光器的发展及应用

    Lite Puter从1978年开始专注灯光控制产品及系统的研发,三十几年的历程对灯光控制行业有了深刻的理解，产品的开发一直贴近市场需求,保持技术的领先,从2003年进入新一代调光——正弦波调光器的研发。

 

正弦波调光器发展背景

    随着使用者对调光品质的要求越来越高，当前以可控硅为主的调光器凭借控制线路简单，负载能力强，价格低等优势，备受调光器生产厂家和用户的青睐，由于可控硅调光是对正弦交流电交流电进行斩波，输出的电压波形已经不再是正弦波。对该周期性非正弦电量进行傅立叶级数分解可知，可控硅调光过程中输出的负荷电压除含有与电源同频率的基波成分外，还含一系列频率为电源频率奇次倍的高次谐波。这些高次谐波向空中大量幅射，也会通过导线传导到其它负载，引起电源电压波形畸变，影响同一电源网络的仪器设备的正常运作，尤其是对音响系统的干扰尤为明显。除此之外，还有诸如调光噪声、能效低等影响。

 

    既然可控硅调光器有这样的缺点，新一代调光器的研发就备受期待，于是各大调光器厂商就纷纷投入到正弦波调光器的潮流之中，Lite Puter顺应潮流开始了漫长而又艰辛的SINEWAVE之旅。

 

正弦波调光的原理

    利用高速电子开关，依调光比例作输出或不输出的开关动作，一般采用大于30KHz的高速PWM讯号对AC切割，经由L-C线路还原为正弦波。通过微处理器控制的PWM+，PWM-推动Q1，Q2来实现AC的全波控制输出。微处理器输出的PWM频率为52KHZ。

 

正弦波调光器发展遇到问题及解决

    正弦波调光器顾名思义，其输出是连续的正弦波，其中用到关键功率器件IGBT，IGBT是MOSFET与双极晶体管的复合器件。它既有MOSFET易驱动的特点，又具有功率晶体管电压、电流容量大等优点。其频率特性介于MOSFET与功率晶体管之间，可正常工作于几十kHz频率范围内，故在较高频率的大、中功率应用中占据了主导地位。IGBT是电压控制型器件，在它的栅极与发射极间施加十几V的直流电压，只有μA级的漏电流流过，基本上不消耗功率。但是IGBT瞬间过流能力没有可控硅好，以及高速开关过程的发热问题。

 

    因此，正弦波调光器研发的难点在于过流时的保护以及调光器的散热问题，这两个问题是正弦波调光器能否运作的关键。

针对这两个问题常用的保护措施有：①利用温度传感器检测IGBT 的温度，当超过允许温度时输出功率降低甚至关闭，实施过热保护。②利用电压电流传感器检输出电压及电流，当输出电流大于系统额定电流时系统通过降低输出功率控制电流在合理范围甚至是关闭PWM输出，这些都是由微处理器来控制实现系统的过热、过流保护，让系统运行在安全的状态。

 

正弦波调光器的优点分析

    正弦波调光器的优点在于干扰小、噪声低、效率高，调光输出电流为真正连续的正弦波，因此没有灯丝的震荡声和电磁干扰，正弦波调光器从根本上解决高次谐波问题。

 

    首先我们对正弦波调光和可控硅调光的输出波形对比，红线为50%调光输出时SCR的调光波形，绿线为50%调光输出时正弦波调光波形。虽然他们的调光亮度是相同的，但是SCR的输出的瞬变电流很大，因为它的输出不是连续的正弦波，造成三相电力不平衡，它需要较粗的中性线，正弦波调光输出电流为真正连续的正弦波，因此没有灯丝的震荡声和电磁干扰。

 

    其次，我们比较两者的谐波，我们可以从这两幅图清楚地看出两者的差异，正弦波输出的频谱特性曲线，从特性曲线可以看出系统的二次以上谐波较低。

    接下来我们分析正弦波调光器的功率因数，功率因数(PF)是指交流输入有功功率(P)与输入视在功率(S)的比值。即

式中：I1为输入基波电流有效值；为输入电流失真系数； Irms为输入电流有效值；cosφ为基波电压与基波电流之间的相移因数。 由此可见PF由γ和cosφ决定。cosφ低，则表示用电电器设备的无功功率大，γ值低，则表示输入电流谐波分量大，对电网造成污染，严重时，对三相四线制供电还会造成中线电位偏移，致使用电电器设备损坏。

 

    1．由式(1)可知，要提高功率因数有两个途径，即使输入电压、输入电流同相位，使输入电流正弦化，如图04示，我们直接对正弦波进行高速切割，然后经过L1和C1的滤波，使输出还原为连续得正弦波，并且和输入电压同相位，cosφ=1。因此本系统可以获得较高的功率因数。

 

    2．无源无损吸收则是采用无源元件来减小MOSFET的dv／dt和二极管的dv／dt，从而减小开通损耗和反向恢复损耗。由微处理器控制储能释放线路，将L1和C1的储能，在IGBT关断时释放。

 

    3．本系统采用高速微处理器输出52KHZ的高频PWM来控制IGBT对AC的正弦波进行全波的高速切割，可以选择较小的电感和容值小的电容，使被高频切割的正弦波被还原为连续正弦波。功率因数校正电路工作于高频开关状态，体积小、重量轻、效率高。

 

    综上所述：这就是正弦波调光器高效、超静音、干扰小的原因。

 

正弦波调光器的现在和未来

    目前Liteputer的大功率正弦波调光器经过近十年的研发已经大规模应用到日本和台湾的大型剧场及电视台，它的超静音、干扰小、效率高的优势得到体现和认可。

 

    现在LED的迅猛发展，但它在大功率的应用上还是无法替代传统光源，但是有一天它会成熟，到那时一颗绿色的大功率LED光源搭配一部绿色的SINWAVE调光器将是完美的结合。这是因为正弦波调光器很容易为未来的大功率LED提供强大的驱动力。正弦波调光器输出的是0-100%，可调的真正的正弦波加上强大的负载能力会为绿色照明作出它的贡献。