專利名稱：單位功率因數節能調光裝置的制作方法
技術領域：
本發明涉及一種光電技術領域的裝置，具體是一種單位功率因數節能調光裝置。
背景技術：
為得到變化的光場效果，在一些應用場合需要對燈體進行調光操作。通過 改變燈體電壓能夠調整燈體亮度，產生多變的投射效果。目前，燈體調光裝置主 要由雙向晶閘管、晶閘管觸發電路和觸發角相位控制電路組成，雙向晶閘管串聯 接入發光電路，通過晶閘管觸發電路控制雙向晶閘管導通或截止，調節燈體電壓。 由于燈體亮度與電壓成正比，因此通過改變晶閘管觸發角能夠調節燈體亮度。
經過對現有技術的檢索發現，專利申請號為200680015815.0的中國專利，專 利公開號為CN101171890，專利名稱為《使用雙向可控硅調光器進行調光的方法 和電路》，該技術涉及一種晶閘管調光裝置，由于采用相位控制調光技術，在調 光操作的同時會產生大量的諧波電流，對電力系統電能質量和其它電網用戶產生 不良影響。該調光裝置調節速度較慢，無法滿足舞臺燈光、影視劇場等光度變化 快、投射復雜光場效果的要求。由于功率因數低、諧波含量大，該調光裝置所產 生的無功電流、諧波電流在電力線路中會引起較大的功率損耗，浪費電能。
發明內容
本發明針對上述現有技術的不足，提出了一種單位功率因數節能調光裝置， 采用高頻脈沖寬度調制(PWM)控制技術，該裝置能夠實現燈體亮度的快速調節， 同時該調光裝置功率因數能達到l，產生諧波電流含量小、易于濾除，能夠減少 線路損耗，節約電能。
本發明是通過以下技術方案來實現的，本發明包括功率變換主電路模塊、 驅動電路模塊、控制信號發生模塊，其中，
功率變換主電路模塊包括輸入濾波電感、輸入濾波電容、第一雙向開關、 第二雙向開關、儲能電感、輸出濾波電容，其中，
輸入濾波電感的一端與輸入濾波電容一端相連，輸入濾波電感的另一端和輸 入濾波電容的另一端分別作為輸入接口的兩個端子，輸入接口連接交流電源，輸 入濾波電感、輸入濾波電容構成輸入濾波電路，輸入濾波電路吸收調光裝置產生 的諧波電流，降低諧波畸變程度，輸入濾波電感和輸入濾波電容的連接點與第一 雙向開關一端相連，第一雙向開關的另一端與第二雙向開關的一端相連，第二雙 向開關的另一端與輸入接口的一個端子相連，儲能電感的一端和輸出濾波電容的 一端相連，輸出濾波電容作為輸出濾波電路，吸收電壓紋波，減小電壓波動，儲 能電感根據雙向開關的工作狀態存儲或釋放能量，輸出濾波電容的兩端為輸出接 口的兩個端子，輸出接口連接調光燈體；
驅動電路模塊分別與功率變換主電路模塊中的兩個雙向開關相連；
控制信號發生模塊與驅動電路模塊相連，控制信號發生模塊產生高頻脈寬可 調控制信號，控制信號通過驅動電路模塊控制功率變換主電路模塊中的第一雙向 開關和第二雙向開關的通斷。
所述第一雙向開關、第二雙向開關，均為由兩只帶反向并聯二極管的IGBT (絕緣柵雙極晶體管)共射極連接結構。
所述控制信號發生模塊，為數字信號處理器、微控制器、CPLD (復雜的可編 程邏輯器)或PWM控制芯片。
所述控制信號發生模塊，其產生的脈寬可調控制信號的頻率為30K-60KHz。
所述驅動電路模塊，為集成驅動芯片或分離元件。
本發明工作時，控制功率變換主電路模塊中第一雙向開關和第二雙向開關的 工作狀態，在開關周期內對儲能電感進行充、放電操作，經過輸出濾波電容后得 到幅度可調、與輸入電壓同相位的正弦波調光電壓。輸出電壓幅值與第一雙向開 關控制信號脈沖寬度成正比，通過改變脈沖寬度調節燈光亮度。雙向開關控制信 號頻率可調，為減少噪聲干擾一般大于20KHz，本發明采用開關頻率為30K-60KHz。 調光裝置所產生諧波電流頻率為開關頻率的整數倍，低次諧波含量較少。由于諧 波頻率較高，所用濾波器體積較小，易于濾除。該調光裝置諧波含量少、單位功 率因數，能夠達到國家對于工業用戶的電能質量要求，同時減少無功、諧波電流 產生電能損耗，節約電能。
調光裝置輸出電壓與兩個雙向開關的工作情況有關，第一雙向開關和第二雙
向開關處于互補交替導通狀態第一雙向開關導通時，第二雙向開關關斷，電源 為燈體供電，儲能電感充電，電流上升；第一雙向開關關斷時，第二雙向開關導 通，儲能電感通過第二雙向開關為燈體供電，電感電流下降。燈體兩端電壓與第 一雙向開關控制信號脈沖寬度成正比，通過改變脈沖寬度進行光度調節。
與現有技術相比，本發明具有如下有益效果本發明中，正弦波電壓調光， 單位功率因數，調節速度快。該調光裝置產生總諧波電流畸變小于5%，諧波電流 頻率為開關頻率的整數倍，濾波器體積小、易于濾除。
圖l是本發明的結構框圖2是本發明調光裝置中功率變換主電路模塊的電路圖； 圖3是本發明調光裝置中控制信號發生模塊的電路圖； 圖4是本發明調光裝置中驅動電路模塊的電路圖。
具體實施例方式
下面結合附圖對本發明的實施例作詳細說明本實施例在以本發明技術方案 為前提下進行實施，給出了詳細的實施方式和具體的操作過程，但本發明的保護 范圍不限于下述的實施例。
如圖1所示，本實施例包括功率變換主電路模塊、驅動電路模塊、控制信 號發生模塊，其中，
功率變換主電路模塊包括輸入濾波電感L1、輸入濾波電容C6、第一雙向 開關S1、第二雙向開關S2、儲能電感L2、輸出濾波電容C7，其中，
輸入濾波電感L1的一端與輸入濾波電容C6—端相連，輸入濾波電感L1的另一 端和輸入濾波電容C6的另一端分別作為輸入接口的兩個端子A、 B，輸入接口連接 交流電源，.輸入濾波電感L1、輸入濾波電容C6構成輸入濾波電路，輸入濾波電路 吸收調光裝置產生的諧波電流，降低諧波畸變程度，輸入濾波電感L1和輸入濾波 電容C6的連接點與第一雙向開關S1—端相連，第一雙向開關S1的另一端與第二雙 向開關S2的一端相連，第二雙向開關S2的另一端與輸入接口的一個端子B相連， 儲能電感L2的一端和輸出濾波電容C7的一端相連，輸出濾波電容C7作為輸出濾波 電路，吸收電壓紋波，減小電壓波動，儲能電感L2根據雙向開關的工作狀態存儲 或釋放能量，輸出濾波電容C7的兩端為輸出接口的兩個端子C、 D，輸出接口連接
調光燈體；其中，輸入濾波電感L1為200微亨，輸入濾波電容C6為3微法，儲能電 感L2為1毫亨，輸出濾波電容C7為10微法。
驅動電路模塊分別與功率變換主電路模塊中的兩個雙向開關相連；
控制信號發生模塊與驅動電路模塊相連，控制信號發生模塊產生高頻脈寬可 調控制信號，并用控制信號通過驅動電路模塊控制功率變換主電路模塊中的第一 雙向開關和第二雙向開關的通斷。
如圖2所示，所述第一雙向開關S1、第二雙向開關S2，均為由兩只帶反向并 聯二極管的IGBT共射極連接結構，IGBT采用IRGB4061。
如圖3所示，所述控制信號發生模塊，其采用微處理器U1產生調光裝置高頻 控制信號，高頻控制信號的頻率為30千赫茲-60千赫茲，微處理器U1的型號為 dsPIC30F4011，微處理器U1的外部電路如下
電容C2、電容C3、晶振Y1組成振蕩電路，電容C2、 C3—端并連接地， 一端并 接在晶振Y1的兩端，并分別與微處理器U1的接口0SC2、 0SC1相連，其中，電容C2、 電容C3分別為30皮法、30皮法，晶振為7.37兆赫茲；
電容C1、電阻R3、電阻R4、按鍵K3組成按鍵復位電路，電容C1和按鍵K3的一 端并接后接地，按鍵K3的另一端與電阻R4相連，電阻R3的一端接+5V，電阻R3的 另一端以及電阻R4、電容C1的一端并接后與微處理器U1的接口MCLR相連，當按下 按鍵K3時，微處理器IJ1復位。其中，電容C1為100皮法、電阻R3為22千歐、電阻 R4為100歐；
可調電阻R5連接微處理器U1的RB8 (IO腳)作為亮度調節旋鈕，控制燈體亮 度，可調電阻R5的阻值為10千歐；
微處理器U1的RE0(38腳)、RE1(37腳)輸出脈沖寬度控制信號。
所述微控制器U1，其產生帶死區時間的脈沖控制信號，加入死區工作狀態， 以防止第一雙向開關S1、第二雙向開關S2同時導通，保護雙向開關組正常工作。
所述第二雙向開關S2，其兩端并聯一個緩沖電容C8，緩沖電容C8吸收死區時 間出現的電壓尖峰，緩沖電容C8為0.01微法。
如圖4所示，所述驅動電路模塊，包括電阻R6-R13， 二極管D1、 D3、 D4、 D6、 ZD1、 ZD2，直流隔離模塊DC1、 DC2，三極管T1、 T2，電容C4、 C5，驅動光耦 U2、 U3，其中，
電阻R12、 R13—端分別連接P麗1H、 P麗1L， P麗1H、 P麗1L分別與圖3中微控 制器U1的RE1、 RE0引腳連接，另一端分別連接三極管T1、 T2的基極，電阻R12、 R13限制三極管T1、 T2基極的電流，二極管D3、 D6陰極分別連接P麗1H、 P麗1L， 陽極分別連接三極管T1、 T2的基極，二極管D3、 D6能提高三極管關斷速度，電阻 R8、 R9—端連接+5V，另一端分別連接U2、 U3第2腳，R8、 R9限制光耦一次側電流， 三極管T1、 T2的集電極分別連接驅動光耦U2、 U3第3腳，三極管T1、 T2的發射極 接地，三極管T1、 T2導通時，驅動光耦一次側導通，控制對應雙向開關導通；反 之，三極管T1、 T2關斷時，控制對應雙向開關關斷，直流電源隔離模塊DC1、 DC2 第1腳分別+15V,第2腳分別接地，第3腳分別接驅動光耦U2、 U3的第5腳，第4腳 分別接驅動光耦U2、 U3的第8腳，直流電源隔離模塊DC1、 DC2產生隔離直流電源 為驅動光耦二次側供電，電容C4、 C5—端分別接驅動光耦U2、 U3第8腳，另一端 分別接U2、 U3第5腳，電容C4、 C5為去耦電容，濾除高頻交流分量，二極管ZD1、 ZD2陰極分別接U2、 U3第6腳，ZD1、 ZD2為穩壓二極管，當電壓波動時，防止IGBT 門極與射極之間的電壓過高，起到保護作用，電阻R6、 R7—端分別接U2、 U3第6 腳，另一端分別接G1H、 G2H，電阻R6、 R7限制驅動光耦二次側電流，二極管D1、 D4陰極分別連接U2、 U3第6腳，陽極分別連接G1H、 G2H， 二極管D1、 D4能提高IGBT 的關斷速度，電阻RIO、 R11—端分別接G1H， G2H，另一端分別接U2、 U3第5腳， 電阻RIO、 R11與IGBT內部寄生電容形成放電回路，起到提高開關速度，防止誤導 通的作用；其中，G1H、 E1H、 G2L、 E2L分別與圖2中G1H、 E1H、 G2L、 E2L連接， 控制電路通過驅動電路控制雙向開關狀態。
上述電路元件中，電阻R12、 R13，其電阻值為l千歐；電阻R8、 R9，其電阻 值為510歐；電容C4、 C5，其電容值為O. l微法；電阻RIO、 Rll，其電阻值為IO 千歐；電阻R6、 R7，其電阻值為25歐。
所述二極管D3、 D6，其型號為UF4007。
所述三極管T1、 T2，其型號為9013。
所述直流電源隔離模塊DC1、 DC2，其型號為B1212LS。
所述驅動光耦U2、 U3，其型號為TLP250。
所述二極管ZD1、 ZD2，其型號為IN4747。
所述二極管D1、 D4，其型號為UF4007。
本實施例中，正弦波電壓調光，單位功率因數，調節速度快，本實施例裝置 產生總諧波電流畸變小于5%,諧波電流頻率為開關頻率的整數倍，濾波器體積小、 易于濾除。
權利要求
1、一種單位功率因數節能調光裝置，其特征在于，包括功率變換主電路模塊、驅動電路模塊、控制信號發生模塊，其中，功率變換主電路模塊包括輸入濾波電感、輸入濾波電容、第一雙向開關、第二雙向開關、儲能電感、輸出濾波電容，其中，輸入濾波電感的一端與輸入濾波電容一端相連，輸入濾波電感的另一端和輸入濾波電容的另一端分別作為輸入接口的兩個端子，輸入接口連接交流電源，輸入濾波電感、輸入濾波電容構成輸入濾波電路，輸入濾波電路吸收調光裝置產生的諧波電流，降低諧波畸變程度，輸入濾波電感和輸入濾波電容的連接點與第一雙向開關一端相連，第一雙向開關的另一端與第二雙向開關的一端相連，第二雙向開關的另一端與輸入接口的一個端子相連，儲能電感的一端和輸出濾波電容的一端相連，輸出濾波電容作為輸出濾波電路，吸收電壓紋波，減小電壓波動，儲能電感根據雙向開關的工作狀態存儲或釋放能量，輸出濾波電容的兩端為輸出接口的兩個端子，輸出接口連接調光燈體；驅動電路模塊分別與功率變換主電路模塊中的兩個雙向開關相連；控制信號發生模塊與驅動電路模塊相連，控制信號發生模塊產生高頻脈寬可調控制信號，控制信號通過驅動電路模塊控制功率變換主電路模塊中的第一雙向開關和第二雙向開關的通斷。
2、 根據權利要求l所述的單位功率因數節能調光裝置，其特征是，所述第一 雙向開關、第二雙向開關，均為由兩只帶反向并聯二極管的IGBT共射極連接結構。
3、 根據權利要求l所述的單位功率因數節能調光裝置，其特征是，所述控制 信號發生模塊，為數字信號處理器、微控制器、CPLD或PWM控制芯片。
4、 根據權利要求l所述的單位功率因數節能調光裝置，其特征是，所述驅動 電路模塊，為集成驅動芯片或分離元件。
5、 根據權利要求l所述的單位功率因數節能調光裝置，其特征是，所述控制 信號發生模塊，其產生的脈寬可調控制信號的頻率為30K-60KHz。
6、 根據權利要求1或5所述的單位功率因數節能調光裝置，其特征是，所述 控制信號發生模塊，其采用微處理器(Ul)產生調光裝置高頻控制信號，微處理 器(Ul)的外部電路如下 電容(C2)、電容(C3)、晶振(Yl)組成振蕩電路，電容(C2)、 (C3) —端 并連接地， 一端并接在晶振(Yl)的兩端，并分別與微處理器(Ul)的引腳0SC2、 0SC1相連；電容(Cl)、電阻(R3)、電阻(R4)、按鍵(K3)組成按鍵復位電路，電容 (Cl)和按鍵(K3)的一端并接后接地，按鍵(K3)的另一端與電阻(R4)相連， 電阻(R3)的一端接+5V，電阻(R3)的另一端以及電阻(R4)、電容(Cl)的一 端并接后與微處理器(U1)的引腳MCL財目連，當按下按鍵(K3)時，微處理器(U1) 復位；可調電阻(R5)連接微處理器(Ul)的引腳RB8作為亮度調節旋鈕，控制燈 體亮度；微處理器(Ul)的引腳RE0、 RE1輸出脈沖寬度控制信號。
7、根據權利要求6所述的單位功率因數節能調光裝置，其特征是，所述微控制器(Ul)，其產生帶死區時間的脈沖控制信號，加入死區工作狀態，避免第一雙向開關、第二雙向開關同時導通。
全文摘要
一種光電技術領域的單位功率因數節能調光裝置，包括功率變換主電路模塊、驅動電路模塊、控制信號發生模塊，其中，功率變換主電路模塊中輸入濾波電路吸收調光裝置產生的諧波電流，輸出濾波電路吸收電壓紋波，儲能電感根據雙向開關的工作狀態存儲或釋放能量，驅動電路模塊分別與功率變換主電路模塊中的兩個雙向開關相連；控制信號發生模塊與驅動電路模塊相連，控制信號發生模塊產生高頻脈寬可調控制信號，控制信號通過驅動電路模塊控制功率變換主電路模塊中的第一雙向開關和第二雙向開關的通斷。本發明調光裝置通過改變高頻控制信號脈沖寬度，輸出幅值可調的正弦電壓，具有單位功率因數、諧波含量小，調光速度快，節約電能的特點。
文檔編號H05B41/38GK101384127SQ20081020125
公開日2009年3月11日 申請日期2008年10月16日 優先權日2008年10月16日
發明者唐厚君, 崔光照, 楠 金 申請人:上海交通大學