當(dāng)今的許多技術(shù)，例如 LED 和直流電機(jī)，已經(jīng)使設(shè)計人員和制造商習(xí)慣于使用相對簡單的方法來將部分能量轉(zhuǎn)移到負(fù)載上（例如 LED 調(diào)光或無刷速度控制）。當(dāng)負(fù)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(jī)、加熱元件和許多電感負(fù)載都具有這種特性。如何智能、高效、無問題地控制此類設(shè)備？在本文中，我們將通過提供最常用技術(shù)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(shè)備中的部分能量傳輸有關(guān)的第一個要解決的問題是燈絲燈泡的調(diào)光。該設(shè)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(fù)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(dǎo)致電路更復(fù)雜。

交流負(fù)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(shù)，允許您根據(jù)控制信號將功率傳輸?shù)截?fù)載：當(dāng)信號為高時，負(fù)載將以最大可用功率供電，當(dāng)信號為低時，負(fù)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(fù)載將獲得或多或少的功率；這樣，傳輸?shù)截?fù)載的能量（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(shè)備的功率調(diào)節(jié)（想想 LED 的調(diào)光、無刷電機(jī)或開關(guān)電源的控制，之所以這么稱呼是因為負(fù)載上的電壓連續(xù)切換）。

如何將PWM應(yīng)用于交流設(shè)備？

如果我們想使用與直流負(fù)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(fù)雜。此外，由于電磁輻射會將噪聲引入線路，并可能對受電設(shè)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(luò)線路上連續(xù)切換。

我們?nèi)绾卧诓粨p壞設(shè)備的情況下更好地利用 PWM，限制引入網(wǎng)絡(luò)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(shù)。

該技術(shù)涉及使用當(dāng)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(jìn)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(guān)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(dāng)柵極為低電平時，交流信號的導(dǎo)通是被禁止的，而當(dāng)柵極為高電平時，交流信號的導(dǎo)通是允許的，直到下一次通過0（半周期結(jié)束）。從物理上講，三端雙向可控硅開關(guān)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(shù)；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(shù)可以看作是一種 PWM，其中開關(guān)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(guān)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(guān)總是在電流接近0時導(dǎo)通和關(guān)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?fù)載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(shù)無疑易于實施且可靠；然而，激活周期必須在了解深度負(fù)載特性的情況下進(jìn)行選擇：雖然對于電阻來說，預(yù)計需要相對較長的周期（存在無法傳遞足夠能量的風(fēng)險），但對于電機(jī)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?fù)載的能量的最流行的技術(shù)之一是相位角控制：當(dāng)越過 0 時，在激活三端雙向可控硅開關(guān)的柵極（這將允許通過電流直到半周期結(jié)束）。以這種方式，權(quán)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(guān)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(shù)可用于所有類型的負(fù)載，引入放電電路（緩沖器）以避免感性負(fù)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(jié)合。一些執(zhí)行器，例如電動機(jī)，不能直接以最大功率運(yùn)行（普通大型電動機(jī)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(jī)構(gòu)，可以通過插入設(shè)備開機(jī)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?fù)載的功率，最高可達(dá) 0 度，并最終導(dǎo)致突發(fā)點火控制。

綜上所述

交流負(fù)載的驅(qū)動現(xiàn)在是一個相當(dāng)統(tǒng)一的話題，有許多技術(shù)可以解決這個問題。新技術(shù)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(yīng)該注意的是，在文章中描述的驅(qū)動技術(shù)中，輸入電流的頻率沒有改變，但功率傳輸僅提供負(fù)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(shù)的新型 SCR 和三端雙向可控硅開關(guān)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