基于PIC16单片机的正弦调光电路*

戚 伟 ，邱旭伟 ，刘劲松 ，庞文尧 ，肖 铎

（1.浙江大学城市学院 信息与电气工程学院，浙江 杭州 310015；2.浙江大学 信息与电子工程学院，浙江 杭州 310027）

0 引言

随着经济社会的发展和人民生活水平的提高，我国的城市化建设在不断加快。作为衡量城市现代化的重要指标，城市的交通照明和景观照明正在迅速发展，也正在消耗着越来越多的电能。能源紧缺和环境污染问题已经引起全人类的共同关注，节能环保也越来越被重视。根据外界光线强弱和人流量，适当的进行降压调亮，可以有效的节约电能、减少碳排放[1-2]。可控硅相控式调光电路由于结构简单、成本低等优点，是目前调光电路中所使用的主流技术[3-4]。可控硅调光是通过改变导通角调整电压，输出电压并非正弦波，里面含有大量谐波，在工作时会对其他设备产生干扰，并且会污染电网。随着电子器件的发展，基于IGBT器件的斩控式正弦调光电路输出为正弦波，有效解决了谐波干扰问题，已被应用在舞台调光[5-6]以及酒店的灯光调光等场合。斩控式调压电路中的IGBT驱动电路以及控制电路相对复杂，而且滤波电路依赖于负载特性，导致系统成本较高而只能应用在高档场所[7-8]。本文设计并实际制作了一种结构简单、成本较低的正弦调光电路，该电路可输出电压连续可调的标准正弦波，而且适合于阻性、感性和容性负载，在降压调光领域有着非常好的应用前景。

1 总体方案

系统总体方案如图1所示，输入220 V/50 Hz交流市电，首先通过整流、滤波电路转换变为直流电压，然后输入到全桥逆变电路。

图1 交流调压电路的系统框图

由PIC16单片机产生SPWM控制信号，输入到IGBT驱动电路，驱动由4个IGBT组成的全桥逆变电路。全桥逆变电路输出的脉冲电压经LC电路滤波，输出无明显失真的正弦波形。同时PIC16单片机对逆变电路进行控制，通过实时检测输入端和输出端的电压、电流，实现输出电压调整以及过载保护等功能。全桥逆变电路拓扑图如图2所示。常用的SPWM调制方式有单极性SPWM调制和双极性SPWM调制两种。针对感性负载使用双极性调制能够更容易获得好的输出波形，因此这里选择双极性SPWM调制驱动方式。对于图2所示的全桥逆变电路，由 T1和T2组成左半桥电路，T3和T4组成右半桥电路。对于双极性SPWM调制方式，4只IGBT的驱动控制信号具有上下互补、对角相同的特点。对应正弦波的峰值部分PWM波占空比接近0或者100%，在过零点附近占空比为50%，如图3所示。SPWM调制信号可以由硬件生产也可以由软件生成，这里为了简化电路设计以及降低系统成本，由PIC16单片机软件生成两路互补且具有死区延时的控制信号进行左、右半桥电路的控制。

图2 全桥逆变拓扑图

图3 双极性SPWM调制控制信号

2 硬件设计

2.1 功率电路

功率电路由整流滤波电路和全桥逆变电路以及输出滤波电路组成。为了降低系统成本，使用了全桥整流加直流滤波的方案。如图4所示，输入220 V交流市电，经全桥整流桥整流并经电容滤波后供后级逆变电路使用。全桥逆变电路由左右两个半桥和4只IGBT组成，如图5所示，上下桥臂使用两路互补的驱动信号控制，两路驱动信号设置死区时间，避免上下桥臂同时导通造成输入电源短路。

图4 整流滤波电路

图5 全桥逆变电路

2.2 IGBT驱动电路

PIC16系列单片机具有增强型PWM输出功能，可以硬件输出半桥电路或者全桥电路的驱动控制信号。本项目中所使用的全桥电路作为两个互补的半桥控制。根据双极性SPWM调制控制信号的特点，4只IGBT的驱动信号具有上下桥臂驱动信号互补，对角驱动信号相同的特点，将PIC16单片机配置为半桥驱动输出模式，由P1A、P1B管脚输出两路带有死区延时的互补信号，分别控制图2中T1和T2组成的左桥臂，同时使用相同的两路信号分别控制T3和T4组成的右桥臂。IGBT驱动选择了IR公司的IR2110集成驱动芯片，对于半桥电路中的高端IGBT驱动，IR2110采用外部自举电容上电，减少了驱动电源数量[9-10]。如图 6所示，使用两块IR2110芯片分别驱动左右两个半桥。以左半桥驱动为例，在上桥臂截止，下桥臂导通的时间内，由 VCC通过自举二极管D4对自举电容C16充电，提供下桥臂关断，上桥臂导通时的上桥臂的驱动电源。由于双极性SPWM控制信号的占空比是按正弦规律不断变化而不是固定的，因此不存在下桥臂长时间不通而造成自举电容无法充电的问题。为了降低成本，选用了10μF铝电解电容并联 0.1μF陶瓷电容作为自举电容，自举二极管选用快速恢复型的肖特基二极管。

3 控制软件设计

3.1 正弦表产生

图6 IR2110全桥驱动电路

民用市电频率为50 Hz，PWM波的频率选择为20 kHz，市电周期为PWM波周期的400倍。根据正弦电压信号的对称性，只需要构造四分之一周期的正弦表，其余四分之三周期可相应生成。

SPWM规则采样公式：

其中，K表示为一个基波周期内第K次采样，N为载波比。为了降低控制系统的复杂度，每4个周期改变一次PWM波的占空比。K取 4i，N取400。

其中，i=0…25，计算出长度为26的正弦表，将计算出来的数值存入PIC16单片机的ROM内。

3.2 SPWM波的产生

PWM波的频率设置为20 kHz，使用Timer2定时并设置1：4分频，PWM每经过 4个周期产生一个定时中断，在中断程序里改变PWM波的占空比，中断程序流程如图7所示。由于PIC16单片机的ROM空间比较有限，因此在计算正弦表时只计算了四分之一周期，因此在中断控制里也将控制分为正半周上升沿、正半周下降沿、负半周下降沿和负半周上升沿4种情况分别处理。

图7 双极性SPWM波产生的流程图

4 系统测试

由PIC16单片机生成SPWM控制波形，经过驱动芯片IR2110后的驱动波形如图8所示，两路信号为带有死区时间的互补信号，通过软件将死区时间设置为1.6μs，避免上下桥臂同时导通。使用阻性和感性负载分别进行了测试。输入为220 V/50 Hz市电，将输出电压调节到170 V时的输出波形如图9所示。其中，图9(a)为输出空载时的波形，可以看出空载时输出波形基本没有畸变。图9(b)为接入400 W高压钠灯感性负载以后的输出波形，可以看出波形没有发生明显畸变。

图8 IGBT的互补驱动信号

图9 输出波形测试

本文提出了一种基于AC/DC/AC转换的间接型正弦调光电路，成功驱动了400 W高压钠灯感性负载实现了灯光的连续调节，同时保持了输出波形为无明显畸变的正弦波形。该调光系统具有控制系统简单、成本低并且对电网无污染的优点，有望取代现有的可控硅方案，应用于降压调光节能工程。

[1]张万奎，丁跃浇.高压钠灯的技术特性及降压节电应用[J].照明工程学报，2007，17(4)：63-65.

[2]张振，张万奎.高压钠灯降压调光节电试验[J].照明工程学报，2010(2)：47-48.

[3]张斌.可控硅过零触发调压器[J].电子制作，2005(7)：12-14.

[4]余志勇，李忠义.晶闸管交流调压器触发电路分析与设计[J].电力电子技术，1998，1(2)：1-6.

[5]瞿继武.新型正弦波调光设备在电视演播室的运用[J].西部广播电视，2006(6)：8-9.

[6]潘云辉.正弦波电子调光技术在演艺灯光中的应用[J].演艺科技，2011(8)：1-8.

[7]张荣华.数字式交流调压电源的研究与设计[D].成都：西南交通大学，2008.

[8]曾志.斩控式交流调压器的研究与设计[D].成都：西南交通大学，2012.

[9]马瑞卿，刘卫国.自举式IR2110集成驱动电路的特殊应用[J].电力电子技术，2000，34(1)：31-33.

[10]周敛荣，潘美珍.高压悬浮驱动电路IR2110的特点及拓展应用技术[J].电子元器件应用，2009，11(4)：30-33.