如何将PWM应用于交流设备？

当今许多技术，例如LED和DC电动机，已经习惯了设计人员和制造商使用相对简单的方法来部分转移负载上的能量（例如，LED调光或无刷速度控制）。当负载不是直流电而是由交流电供电时，这种简单性在概念上和实践上都会有所减少：灯泡，交流电动机，加热元件和许多电感性负载都具有这种特性。如何智能，高效且无问题地控制此类设备？在本文中，我们将通过概述最常用的技术来尝试阐明这一概念。

增益调制：基本方法

从历史上看，要解决的有关AC设备中能量的部分转移的第一个问题是灯丝灯泡的调光。该设备接收电源电压（以50 / 60Hz频率从230V交流电），从而提供最大的亮度（和最大的功耗）。解决该问题的第一种方法是最明显的：通过可变电阻器（电位计）在负载上发送较低的电流值；更少的电流，更少的灯丝功率消耗，更少的亮度：这很简单（图1）。

图1：交流增益调制（来源：ECMWEB）

从效率的角度来看，今天的解决方案是不可接受的：如果确实可以解决问题，另一方面，节能法则要求将部分功率耗散在电位器中。形式的热量，这是浪费的。这不是最好的解决方案，今天有更智能，更高效的解决方案，导致电路更加复杂。

交流负载中的脉冲宽度调制（PWM）

脉冲宽度调制（也称为PWM）是一种调制技术，可让您根据控制信号将功率传输到负载：当信号高时，负载将以最大可用功率供电；当信号低时，负载将以最大可用功率供电。 ，则负载将无法通电。根据此信号的激活频率，以及基于在高状态而不是低状态（占空比）中花费的时间，负载将或多或少地获得功率。这样，传递给负载的能量（电压的有效值）可以在0（始终为低控制）到100％（始终为高控制）之间变化。此类调制最常用于DC设备中的功率调节（仅考虑LED的调光，无刷电机或开关电源的控制，之所以这样称呼是因为负载上的电压会连续切换）。

如何将PWM应用于交流设备？

如果我们想对直流负载使用相同的PWM控制原理，则该方案如图2所示。

图2：AC PWM方案（来源：Research Gate）

显然，尽管概念相对简单，但是电路的实现和控制却开始变得复杂。此外，不希望在网络线路上进行连续切换，因为电磁辐射会在线路中引入噪声，并可能损坏受电设备（或至少减少组件的使用寿命）。

如何在不损坏设备，限制引入网络的辐射的情况下更好地利用PWM？

过零检测

在继续使用更高级的方法之前，我们必须介绍过零检测的概念，或在AC中检测正弦波0的通过的技术。

该技术涉及使用当交流电源信号的值等于0时产生控制脉冲的电路；如果是正弦信号，则每个周期发生两次，如果电源电压为50Hz，则每秒发生一百次（每10ms产生一个脉冲）。知道正弦波何时为0时，可以通过限制二次谐波的产生来进行切换，或者确定执行切换之前的时间延迟，直到下一步为0。

零交叉的电路实现是由一个光电耦合器或一个交流光电晶体管来实现的，如图3所示。

图3：交流光电晶体管过零检测原理图（来源：作者）

在交流光电晶体管中，向晶体管发射脉冲的组件是双向可控硅或双端设备，由两个反向并联配置的二极管组成。H11AA1是经典的交流光电晶体管。

另一个重要的器件是双向可控硅，一个三端设备，其中两个端子称为阳极，是受控电流的通道，而第三个端子（即定义的栅极）是控制输入：当栅极为低电平时，交流信号的传导被禁止，而当门为高电平时，交流信号的传导被允许直到下一次通过0（半周期结束）。从物理上讲，双向可控硅由两个反向并联的SCR构成，其栅极短路。

还存在诸如光电晶体管或固态继电器之类的设备，这些设备具有用于检测内部零交叉的电路，但是先前电路的实现方式使我们能够更好地理解问题，并对电路的行为进行精确控制。实际上，通过使用过零检测电路和微控制器，我们可以实现脉冲发射控制和相角控制技术。基于选择的驱动算法的微控制器命令会触发用于功率传输的组件，通常是三端双向可控硅开关（如BTA140）或光电三端双向可控硅开关（如MOC3052或MOC3011）。

连发射击控制

可以将此技术视为PWM，其中开关频率和占空比是正弦波周期的倍数。在实践中，一旦说明了调制周期必须持续多少个周期，就在每个步骤中激活三端双向可控硅开关为0，以遵守已建立的占空比。这样，三端双向可控硅开关元件总是在电流为0时接通和断开，以免产生二次谐波。在图4中，可以看到一个时序图示例。因此，传递给负载的功率将与占空比成正比。

图4：突发触发控制的时序图（来源：实用控制）

从EMC的角度来看，该技术无疑易于实施且可靠。然而，必须在知道深度负载特征的情况下选择激活周期：虽然对于电阻而言，预期的周期较长（存在无法传递足够能量的风险），但对于电动机或其他执行器，该参数可能完全不同。

相角控制

用于控制传递到负载的能量的最流行的技术之一是相位角控制：当越过0时，在激活三端双向可控硅开关元件的栅极之前，预设时间（对应于触发角）会延迟（这将允许通过）。电流持续到半周期结束）。以这种方式，功率传递仅在该周期的一部分中发生。

突发点火控制基于有效和无效周期之间的关系，而相位角控制则基于周期内传递的能量百分比。

此控件的时序图如图5所示。

 

图5：相角控制的时序图（来源：实践控制）

该技术可用于所有类型的负载，并引入放电电路（缓冲器）以避免感性负载出现问题。

软启动和突发触发控制

一个更聪明，当然也很优雅的解决方案，以及在实践中非常有用的功能，是将软启动与突发触发控制相结合。某些执行器，例如电动机，不能直接以最大功率运行（一般大型电动机的动量差会使其脱离地面！），因此它们需要一个软启动机制，可以将其插入开启设备时进行相位角控制，其主要控制方法仍然是突发触发控制。在软启动期间，触发角度可以逐渐增加传递给负载的功率，直至0度，并最终导致脉冲触发控制。

综上所述

交流负载的驱动现在已成为一个相当固定的主题，有许多技术可以解决此问题。新技术基于对能源效率的追求，并减少了放置在电网上的危险峰值和令人讨厌的峰值。

应当注意，在本文所述的驱动技术中，输入电流的频率没有改变，但是功率传输仅提供了负载上使用的能量的时间范围。

此外，还创建了采用SiC和GaN技术的新型SCR和双向可控硅器件，从而可以增加支持的功率并提高热稳定性。

编辑：hfy