马礼民，叶剑辉，万冬华

(广州斯全德灯光有限公司，广东 广州 510663）

文化部科技创新项目《光纤、网络、智能正弦波交流电源调压调光控制器》，旨在用节能环保型绿色产品替代效率低、耗能高、干扰大的可控硅调光器产品，针对传统的可控硅调压电路存在的波形畸变以及功率开关管调压电路存在的功耗大、电路复杂的问题，设计一种基于集成电路芯片控制技术的正弦波交流电源调压驱动器，形成智能正弦波调光项目系列化。该项目由广州斯全德灯光有限公司（以下简称“斯全德”）承担。

1 可控硅调压（调光）概述

1.1 可控硅调压（调光）的技术原理

可控硅调光器多数是采用相位控制方法来实现调压或调光的。相位触发电路是交流触发电路的一种，如图1。此电路的原理是利用RC回路控制触发信号的相位。当R值较小时，RC的时间常数较小，触发信号的相移A1较小，因此，负载获得较大的电功率；当R值较大时，RC的时间常数较大，触发信号的相移A2较大，因此负载获得较小的电功率。

目前使用的反向阻断型可控硅，其闸流的特性表现为：当可控硅加上正向阳极电压的同时又加上适当的正向控制电压时，可控硅就导通，这一导通即使在撤去门极控制电压后仍将维持，一直到加上反向阳极电压或阳极电流小于可控硅自身的维持电流后才关断。可控硅调光器就是利用可控硅的这一特性实现前沿触发相控调压的。在正弦波交流电过零后的某一时刻t1（或某一相位角ωt1），在可控硅控制极上加一触发脉冲，使可控硅导通，这一导通将维持到正弦波正半周结束。因此在正弦波的正半周（即0～π区间）中，0～ωt1范围可控硅不导通，这一范围称为控制角，常用α表示；而在ωt1～π间可控硅导通，这一范围称为导通角，常用表示。同理，在正弦波交流电的负半周，对处于反向联接的另一个可控硅（对两个单向可控硅反并联或双向可控硅而言）在t2时刻（即相位角ωt2）施加触发脉冲，使其导通。如此周而复始，对正弦波每半个周期控制其导通，获得相同的导通角。如改变触发脉冲的施加时间（或相位），即改变了导通角（或控制角α）的大小。导通角越大调光器输出的电压越高，灯就越亮。从上述可控硅调光原理可知，调光器输出的电压波形已经不再是正弦波了，除非调光器处在全导通状态，即导通角为180°（或π）。正是由于正弦波被切割、波形遭受破坏，会给电网带来干扰等问题。

图1 可控硅调光电路原理

1.2 可控硅调压（调光）的缺陷及应对技术措施

自上世纪70年代起，可控硅调光是我国影视舞台的主力调光设备。但近10年来，用户一直在抱怨可控硅在调光时所产生的谐波对电源、舞台音频、视频的影响，尤其是对越来越多的用电设备严重干扰，以至影响到电网的安全。由此市场上又产生了治理可控硅谐波的滤波器。滤波器的滤波效果如何且不谈，单这项附加的费用成本就超过所用的可控硅调光设备之和，迫使许多新建的演播厅或剧场为达到国家对供电系统谐波的限制标准，不得不增加建设投资成本而采用各种治理谐波措施来达标。

在电子工业迅猛发展的今天，可控硅调压（调光）已成为电力资源应用的一大缺陷，现实中大部分连接到可控硅的用电设备，可用而不能适配，在电子产品领域中，如果用电设备不能适配，是有害而且容易损坏的。可控硅在调压期间吸收电网电能是非正弦的，所有非正弦吸收电网电能的设备，都会导致电网和灯光师工作环境的“污染”。

实际应用中，可控硅调压不存在调压输出的工作方式，而是在一个正弦波周期内控制能量输出时间的工作过程，输出与输入在相同的相位点上的电压是一致的（加损耗），这就是极大部分用电设备不适配的原因所在（如非线性负载等）。图2是可控硅控制与正弦波控制器输出波形的对比图，从中我们可以看到，智能正弦波调光器输出在调压（调光）过程中改变的是输出电压幅值，而输出波形与输入波形是一致的。

图2 可控硅与正弦波调光波形对比图

2 《光纤、网络、智能正弦波交流电源调压调光控制器》项目

2.1 项目背景

智能正弦波调光产品解决了现有的可控硅调压电路存在的波形畸变以及功率开关管调压电路存在的功耗大、电路复杂的问题，是一种基于集成电路芯片控制技术的正弦波交流电源调压驱动器，其采用数字化的方法来实现正弦脉冲宽度调制技术（PWM），从而得到纯正弦波的输出波形。采用高频调制后可获得高质量的输出电压波形，抑制了高次谐波，使功率开关管（IGBT）损耗减小，由此提高了系统的工作性能。

智能正弦波调光是替代舞台可控硅调光的革命性产品，其无波形畸变，可控性强、节能环保等先进性是影视舞台调光系统更新换代的理想产品。目前进口智能正弦波调光器价格昂贵，成本高已成为进口产品的推广障碍，这是近十年来舞台灯光界最纠结的事，一方面舞台演艺与影视事业突飞猛进，可控硅所产生的谐波对电网污染逾发严重，而节能与绿色照明的呼声又越来越高。

随着LED灯具的逐步普及应用，更少的调光回路呼唤高品质的产品；越来越多的工程案例证明，智能正弦波调光是替代可控硅的革命性产品和专业用户理想的选择。研发拥有国内自主知识产权的舞台智能正弦波调光器，就能大大降低产品价格，让最普通的广大用户都能承受，真正做到“好东西还用得起”，这是专业灯光公司的职责，也是“斯全德”对市场的定位。

2.2 项目研发概况

经过几年时间的探索、研发、试产、检测和试用，“斯全德”于2009年推出了蓝盾ST600调光控制器，这是智能正弦波调光柜的雏形，在充分听取业内的建议后，于2010年5月推出改进后的产品。2010年，文化部正式批准立项——科技攻关计划项目：《光纤/网络/智能/正弦波交流电源调压调光控制器》（项目编号：5-2010）为“斯全德”独立研究开发的项目课题，对蓝盾ST600调光控制器进行了大幅度的技术革新与升级，该项目于2012年5月顺利通过验收。

2.3 项目技术特点

用智能正弦波调光技术取代可控硅调光，降低对周围环境中的音视频设备产生的电磁干扰，解决谐波对电网的危害。这是该项目的设计理念。

本项目是一款用于专业舞台上进行调光的基于双Z型网络的程控智能正弦波调光器。双Z型网络为双Z型驱动电路，采用隔离驱动电源，具有强大的IGBT驱动与保护功能，设置最佳的短路阀值、保护盲区时间，使IGBT获得最好的开关关断性能，在发生过流或短路故障时能迅速做出保护动作，避免热极限发生擎柱效应损坏器件。同时结合强大的微处理器实现软件生成法生成SPWM，实现精确控制，得到理想的正弦波输出。

其技术特点如下：调光控制器的控制信号经过主处理器输送给芯片，电流传感器对智能正弦波调光器输出电流进行采样，然后，电流传感器的采样信号通过高速A/D转换器把电流信号转换为数字信号输送给主处理器，主处理器将数字信号输送给芯片，芯片对输出电流信号进行调制，使调光器与负载灯具达到最佳的匹配。

图3 系统硬件处框图

图4 调光控制流程图

系统的硬件处理框图见图3，调光控制流程图见图4。

控制原理：基于一个经验曲线加模糊智能判别来实现最佳的灯具调光特性。在有调光信号输入时，判断用户调光意图，然后根据用户调光意图，选择一条最佳的输出曲线进行输出。同时，以20 kHz以上的频率的对输出电流过行采样，通过电流变化的曲线和调光输出曲线进行对比，判断灯泡的状态（冷态或热态）动态调节调光输出曲线，使灯泡工作在最佳的加热曲线上，达到冷态灯泡快速点亮，同时也不会过流烧断和引起过调光器过流及短路保护误动的效果。

此控制网络不仅能达到可控硅的调光响应速度，而且由于采用负载智能匹配，使冷态光源的冲击峰值电流大大减少，由此减少大功率舞台调光在启动瞬间的冲击电流，减少对电网的冲击，从而大大减少了误跳闸的机率，延长了灯具的使用寿命。

2.3.1 技术特性解析

智能正弦波调光器中设计采用的脉宽调制（PWM）与IGBT分时控制技术相结合原理是：

每台调光单元采用两个独立控制回路的开关管以并串接方式运用倍频式IGBT分时控制，每个控制单元由二个独立控制回路的开关管组成，即每个桥臂采用两个IGBT并联，工作中这二个桥臂开关管采用周期分时控制，各自分担一半的功率，使IGBT的工作频率和开关损耗减小了一半，从而降低了开关管的热损耗，也进一步确保了开关管工作的可靠性。

设计中采用的周期分时控制技术实现调光输出，能有效地降低散热成本、电能损耗、提高IGBT开关管工作时的可靠性，也进一步提高了工作效率。实现AC-AC纯正弦波的调幅输出电压，它可调节0～220 V的标准交流正弦波输出驱动负载，拓展了舞台载体的可控范畴。调光工作时，因吸收电网电能是正弦电流，也就大幅降低电网及输出谐波含量，由于其工作在高频开关状态，又可减小无源滤波元件的体积，进一步降低产品成本，提高产品性能。

2.3.3 电路控制特点

电路系统的输入管理特点：频率跟随全程采样，因此，能够在很宽的电源频率范围内工作；独特输入信息处理技术，不会因接触不良、移相等现象而损坏调光器。

电路系统的输出管理特点：谐波实时控制技术，使主回路中的电感器静音工作。高性能的IGBT驱动电路能够减小开关延时，降低开关损耗，在发生过流或短路故障时能够迅速做出保护动作，允许输出任何方式任意短路并自动恢复。

调光器管理控制特点：整个控制系统数字化，信息集中管理，采用软件生成法生成SPWM波形，实现精确控制。

调光器用户操作特点：多种工作模式供用户选择，允许所有设置和修改热操作而不影响系统正常运行。

调光器网络接口特点：可靠的热拔插通信接口，两个并列DMX512接口；一个高速双工接口，方便系统网络化控制管理。

调光器产品生产特点：产品生产过程中不需要半成品的多次配合调试，整机一次合成，达到高质量工作设计要求，方便生产。

3 技术应用前景

目前，本项目成果——智能正弦波调光柜已正式批量生产并进入市场，产品的各项性能指标均达到国际标准，而价格比同类的国外产品低五成左右。目前批量生产有四个系列十几个品种，既有高端产品也有小型壁挂型产品，功率输出由2 kW到6 kW。为了满足不同行业的用户需求，更大输出功率的智能正弦波调光产品不久也将陆续推出。