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IGBT正弦波調(diào)光器的工作原理

 自從可控硅（晶閘管）發(fā)明以來(lái)，功率半導(dǎo)體器件從SCR（普通晶閘管）、GTO（門極可關(guān)斷晶閘管）、TRIS（雙向晶閘管）、BJT（雙極型晶體管）又稱為GTR（電力晶體管）、MOSFET（金屬氧化物硅場(chǎng)效應(yīng)管）、SIT（靜電感應(yīng)晶體管）、SITH（靜電感應(yīng)晶閘管）、MGT（MOS控制晶體管）、MCT（MOS控制晶閘管）發(fā)展到今天的IGBT（絕緣柵雙極型晶體管）、HVIGBT（耐高壓IGBT）、IGCT（集成門極換流晶閘管）。在中、高壓功率應(yīng)用中，要求將最為成熟的晶體管和晶閘管技術(shù)與高性價(jià)比的門極關(guān)斷特性有機(jī)地結(jié)合起來(lái)。迄今為止，IGBT與IGCT是符合這種要求的最佳器件。IGCT適合用于低頻率，大電流的場(chǎng)合。只有IGBT才是中高頻率，中功率應(yīng)用的“正弦波調(diào)光器”功率器件的最佳選擇,在調(diào)光器的主回路不變的情況下，采用IGBT代替SCR。
       IGBT代替SCR后調(diào)光器的主回路示意圖
  IGBT代替SCR后調(diào)光器的主回路示意圖
    在這種電路中若IGBT和SCR一樣工作在相控方式，就會(huì)和SCR一樣解決不了正弦波形被斬割和產(chǎn)生高次諧波干擾這二大問題，而且由于相控工作方式的工作電流不是在整個(gè)正弦波周期內(nèi)流過控制器件的，因而電能的利用效率較低。輸出波形如下
IGBT調(diào)光器工作在相控方式的輸出波形
               IGBT調(diào)光器工作在相控方式的輸出波形
 
     人們偏愛正弦波是因?yàn)檎也ㄐ尾话C波，沒有諧波的危害，可以減少損耗并能提高效率。更進(jìn)一步，電機(jī)﹑變壓器和其它電氣設(shè)備設(shè)計(jì)時(shí)都假定了供電電源是正弦的，從而簡(jiǎn)化了設(shè)計(jì)。所以想到充分利用IGBT的大電流下，整個(gè)周波可控的特點(diǎn)，采用PWM工作方式。使PWM調(diào)制波（載波）工作頻率高達(dá)50KHz（載波頻率越高，諧波含量越小，所需要的濾波電感及電容越小，輸出電流和電壓越逼近正弦波），用富立葉級(jí)數(shù)展開分析可知，電源電流中不包含低次諧波，只含有和開關(guān)頻率50KHz有關(guān)的高次諧波。諧波電流隨次數(shù)依次遞減，加之濾波電感的存在，諧波電流隨次數(shù)的減小是很迅速的，由于沒有低次諧波，諧波總量是很小的，這有效地保證了輸出波形的完美性。方達(dá)公司的“IGBT正弦波調(diào)光器”的輸出電壓和電流都為工頻正弦波，并且與輸入波形完全一樣，在高速存儲(chǔ)示波器上觀測(cè)，輸出與輸入波形完全重合。波形畸變率和諧波所占比率都不足1%。濾波環(huán)節(jié)前的輸出波形如下。
IGBT調(diào)制后的電壓電流隨時(shí)間變化的波形（示意圖）
            IGBT調(diào)制后的電壓電流隨時(shí)間變化的波形（示意圖）
 
   LC濾波后的電壓電流隨時(shí)間變化的波形（幅度較�。�，為了對(duì)比圖中給出了輸入電壓電流隨時(shí)間變化的波形（幅度較大）。輸出電壓電流波形在0~輸入電壓電流波形中間調(diào)幅變化。
輸出電壓電流隨時(shí)間變化的波形（幅度較�。�
  輸出電壓電流隨時(shí)間變化的波形（幅度較�。�
 
   ——輸入電壓電流隨時(shí)間變化的波形（幅度較大）
 
   由于大功率高速IGBT及其驅(qū)動(dòng)保護(hù)線路成本較高，采用一個(gè)整流橋和一個(gè)IGBT取代雙向的兩個(gè)IGBT。
純正弦波調(diào)光器的主IGBT回路示意圖
 純正弦波調(diào)光器的主IGBT回路示意圖
 
   為了使IGBT工作更安全，輸入增加了LC濾波，用以抑制輸入的電壓和電流尖峰干擾。
 增加輸入濾波純正弦波調(diào)光器的主IGBT回路示意圖
增加輸入濾波純正弦波調(diào)光器的主IGBT回路示意圖
 
  為了IGBT換流安全而引入并聯(lián)快速二極管及保護(hù)電容。
引入并聯(lián)快速二極管及保護(hù)電容純正弦波調(diào)光器的主IGBT回路示意圖
     引入并聯(lián)快速二極管及保護(hù)電容純正弦波調(diào)光器的主IGBT回路示意圖
 
   為了使它的工作范圍寬廣（可以應(yīng)用于阻性，容性，感性），引入了換流環(huán)節(jié)。以使主IGBT VF!關(guān)斷時(shí)，負(fù)載及輸出電感中的電流有返回的通路。
FDL純正弦波調(diào)光器的主回路原理圖
             FDL純正弦波調(diào)光器的主回路原理圖
 
  輸出部分為L(zhǎng)C，它本身為一個(gè)振蕩器，為此引入RC輸出濾波器，有效地防止了LC諧波振蕩問題，使方達(dá)“IGBT正弦波調(diào)光器”可以安全穩(wěn)定地運(yùn)行。
FDL純正弦波調(diào)光器的完整主回路原理圖
              FDL純正弦波調(diào)光器的完整主回路原理圖
  四．我們把上面的FDL純正弦波調(diào)光器的完整主回路原理圖和可控硅調(diào)光器的主回路原理圖對(duì)比可見，F(xiàn)DL純正弦波調(diào)光器遠(yuǎn)比可控硅調(diào)光器復(fù)雜。加之IGBT又遠(yuǎn)比SCR貴，再加上復(fù)雜的驅(qū)動(dòng)和保護(hù)，F(xiàn)DL純正弦波調(diào)光器的成本比同容量的可控硅調(diào)光器要高得多。
 不過，從下面幾個(gè)方面綜合考慮，購(gòu)買FDL純正弦波調(diào)光器還是值得的。
    1． 輸出諧波分量幾乎可以忽略（噪聲和電噪音污染很低）
——對(duì)其它儀器和設(shè)備干擾甚小
——無(wú)燈絲噪音
    2．沒有負(fù)載特性限制（適用于任何負(fù)載）
    3．對(duì)電網(wǎng)電壓和頻率不敏感（在可控硅調(diào)光器不能使用的畸變嚴(yán)重的偏遠(yuǎn)地區(qū)的電網(wǎng)電和小柴油發(fā)電機(jī)的發(fā)電及小容量的直流逆變電，F(xiàn)DL純正弦波調(diào)光器表現(xiàn)出色）
    4．節(jié)省供配電系統(tǒng)和燈具布線成本高達(dá)40%。當(dāng)國(guó)家嚴(yán)格諧波標(biāo)準(zhǔn)后，對(duì)電網(wǎng)污染嚴(yán)重的可控硅斬波方式用電比對(duì)電網(wǎng)無(wú)污染的正弦波方式用電電費(fèi)高出100%完全可能。更為嚴(yán)重的是隨著“綠色照明工程”的推進(jìn)，以及綠色環(huán)保的呼聲越來(lái)越高，可控硅調(diào)光器隨時(shí)都有可能被迫退出市場(chǎng)，到那時(shí)再換成純正弦波調(diào)光器將造成巨大的浪費(fèi)（淘汰可控硅調(diào)光器換成純正弦波調(diào)光器的重復(fù)投資不算，僅僅為適用于可控硅調(diào)光器供配電系統(tǒng)和燈具布線而增大了的40%容量就是巨大的浪費(fèi)）。

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