交流设备中的电源控制

当今的许多技术，例如 LED 和直流电机，已经使设计人员和制造商习惯于使用相对简单的方法来将部分能量转移到负载上（例如 LED 调光或无刷速度控制）。当负载不是直流电而是交流电供电时，这种简单性，无论是概念上的还是实际的，都会部分减少：灯泡、交流电机、加热元件和许多电感负载都具有这种特性。如何智能、高效、无问题地控制此类设备？在本文中，我们将通过提供最常用技术的概述来尝试阐明这一概念。

增益调制：基本方法

从历史上看，与交流设备中的部分能量传输有关的第一个要解决的问题是灯丝灯泡的调光。该设备接收电源电压（在 50 / 60Hz 频率下从 230V 交替），从而提供最大亮度（和最大功耗）。解决问题的第一种方法是最明显的：通过可变电阻器（电位器）在负载上发送较低的电流值；更少的电流、更少的灯丝功耗、更低的亮度：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，今天这种解决方案是不可接受的：如果确实一方面问题解决了，另一方面能量守恒定律要求部分功率耗散在电位器上热的形式，这被浪费了。这不是最好的解决方案，如今有更智能、更高效的解决方案，导致电路更复杂。

交流负载中的脉宽调制 (PWM)

脉宽调制，俗称 PWM，是一种调制技术，允许您根据控制信号将功率传输到负载：当信号为高时，负载将以最大可用功率供电，当信号为低时，负载将不会获得电力。根据此信号的激活频率，以及处于高而不是低状态（占空比）的时间，负载将获得或多或少的功率；这样，传输到负载的能量（电压的有效值）可以在 0（始终低控制）到 100%（始终高控制）之间变化。这种类型的调制最常用于直流设备的功率调节（想想 LED 的调光、无刷电机或开关电源的控制，之所以这么称呼是因为负载上的电压连续切换）。

如何将PWM应用于交流设备？

如果我们想使用与直流负载相同的PWM控制原理，则方案如图2所示。

图 2：交流 PWM 方案（来源：Research Gate）

很明显，尽管概念相对简单，但电路实现和控制开始变得复杂。此外，由于电磁辐射会将噪声引入线路，并可能对受电设备造成损坏（或至少会缩短组件的使用寿命），因此不希望在网络线路上连续切换。

我们如何在不损坏设备的情况下更好地利用 PWM，限制引入网络的辐射？

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，即检测 AC 中正弦的 0 通道的技术。

该技术涉及使用当交流电源信号值为 0 时产生控制脉冲的电路；作为正弦信号，这在每个周期发生两次，在 50Hz 的电源电压的情况下，每秒发生一百次（每 10 毫秒一个脉冲）。知道正弦波何时为 0 时，可以通过限制二次谐波的产生进行切换，或决定执行切换的时间延迟，直到下一步为 0。

过零的电路实现是通过光电耦合器或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二极管或双端器件，由两个反向并联配置的二极管组成。经典的交流光电晶体管是 H11AA1。

另一个重要的器件是三端双向可控硅开关器件，一种三端器件，其中两个端子称为阳极，是受控电流的通路，而第三个，即定义的栅极，是控制输入：当栅极为低电平时，交流信号的导通是被禁止的，而当栅极为高电平时，交流信号的导通是允许的，直到下一次通过0（半周期结束）。从物理上讲，三端双向可控硅开关由两个反向并联的 SCR 组成，门极短路。

也有一些器件，如光电晶体管或固态继电器，其内部具有用于检测过零的电路，但之前电路的实现使我们能够更好地理解问题并精确控制电路的行为。事实上，通过使用过零检测电路和微控制器，我们可以实现猝发控制和相位角控制技术；微控制器命令基于所选的驱动算法，触发功率传输组件，通常是三端双向可控硅（如 BTA140）或光电三端双向可控硅（如 MOC3052 或 MOC3011）。

连发射击控制

这种技术可以看作是一种 PWM，其中开关频率和占空比是正弦波周期的倍数。在实践中，一旦规定了调制周期必须持续多少个周期，三端双向可控硅开关在每一步被激活为 0，以遵守既定的占空比。这样，三端双向可控硅开关总是在电流接近0时导通和关断，以免产生二次谐波。在图 4 中可以看到一个时间图的例子。因此，传输到负载的功率将与占空比成正比。

图4：连发控制时序图（来源：Practical Control）

从 EMC 的角度来看，这种技术无疑易于实施且可靠；然而，激活周期必须在了解深度负载特性的情况下进行选择：虽然对于电阻来说，预计需要相对较长的周期（存在无法传递足够能量的风险），但对于电机或其他执行器，该参数可能完全不同。

相角控制

控制传输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的栅极（这将允许通过电流直到半周期结束）。以这种方式，权力的转移仅在一部分时期内发生。

脉冲串触发控制基于活动周期和非活动周期之间的关系，而相位角控制基于周期内传输的能量百分比。

该控制的时序图如图 5 所示。

图5：相角控制时序图（来源：Practical Control）

该技术可用于所有类型的负载，引入放电电路（缓冲器）以避免感性负载出现问题。

软启动和连发控制

一个更聪明、更优雅的解决方案，以及一个在实践中非常有用的功能，是将软启动与连发控制相结合。一些执行器，例如电动机，不能直接以最大功率运行（普通大型电动机的动量差异往往会使它脱离地面！），因此它们需要一个软启动机构，可以通过插入设备开机时的相位角控制，其主要控制方式仍然是点阵控制。在软启动期间，触发角逐渐增加传输到负载的功率，最高可达 0 度，并最终导致突发点火控制。

综上所述

交流负载的驱动现在是一个相当统一的话题，有许多技术可以解决这个问题。新技术基于对能源效率的探索以及减少电网上危险和恼人的尖峰。

应该注意的是，在文章中描述的驱动技术中，输入电流的频率没有改变，但功率传输仅提供负载上使用的能量的时间切片。

此外，还开发了采用 SiC 和 GaN 技术的新型 SCR 和三端双向可控硅开关器件，从而增加了支持的功率和更高的热稳定性。

审核编辑：刘清