當今許多技術，例如LED和DC電動機，已經(jīng)習慣了設計人員和制造商使用相對簡單的方法來部分轉移負載上的能量（例如，LED調光或無刷速度控制）。當負載不是直流電而是由交流電供電時，這種簡單性在概念上和實踐上都會有所減少：燈泡，交流電動機，加熱元件和許多電感性負載都具有這種特性。如何智能，高效且無問題地控制此類設備？在本文中，我們將通過概述最常用的技術來嘗試闡明這一概念。

增益調制：基本方法

從歷史上看，要解決的有關AC設備中能量的部分轉移的第一個問題是燈絲燈泡的調光。該設備接收電源電壓（以50 / 60Hz頻率從230V交流電），從而提供最大的亮度（和最大的功耗）。解決該問題的第一種方法是最明顯的：通過可變電阻器（電位計）在負載上發(fā)送較低的電流值；更少的電流，更少的燈絲功率消耗，更少的亮度：這很簡單（圖1）。

圖1：交流增益調制（來源：ECMWEB）

從效率的角度來看，今天的解決方案是不可接受的：如果確實可以解決問題，另一方面，節(jié)能法則要求將部分功率耗散在電位器中。形式的熱量，這是浪費的。這不是最好的解決方案，今天有更智能，更高效的解決方案，導致電路更加復雜。

交流負載中的脈沖寬度調制（PWM）

脈沖寬度調制（也稱為PWM）是一種調制技術，可讓您根據(jù)控制信號將功率傳輸?shù)截撦d：當信號高時，負載將以最大可用功率供電；當信號低時，負載將以最大可用功率供電。 ，則負載將無法通電。根據(jù)此信號的激活頻率，以及基于在高狀態(tài)而不是低狀態(tài)（占空比）中花費的時間，負載將或多或少地獲得功率。這樣，傳遞給負載的能量（電壓的有效值）可以在0（始終為低控制）到100％（始終為高控制）之間變化。此類調制最常用于DC設備中的功率調節(jié)（僅考慮LED的調光，無刷電機或開關電源的控制，之所以這樣稱呼是因為負載上的電壓會連續(xù)切換）。

如何將PWM應用于交流設備？

如果我們想對直流負載使用相同的PWM控制原理，則該方案如圖2所示。

圖2：AC PWM方案（來源：Research Gate）

顯然，盡管概念相對簡單，但是電路的實現(xiàn)和控制卻開始變得復雜。此外，不希望在網(wǎng)絡線路上進行連續(xù)切換，因為電磁輻射會在線路中引入噪聲，并可能損壞受電設備（或至少減少組件的使用壽命）。

如何在不損壞設備，限制引入網(wǎng)絡的輻射的情況下更好地利用PWM？

過零檢測

在繼續(xù)使用更高級的方法之前，我們必須介紹過零檢測的概念，或在AC中檢測正弦波0的通過的技術。

該技術涉及使用當交流電源信號的值等于0時產(chǎn)生控制脈沖的電路；如果是正弦信號，則每個周期發(fā)生兩次，如果電源電壓為50Hz，則每秒發(fā)生一百次（每10ms產(chǎn)生一個脈沖）。知道正弦波何時為0時，可以通過限制二次諧波的產(chǎn)生來進行切換，或者確定執(zhí)行切換之前的時間延遲，直到下一步為0。

零交叉的電路實現(xiàn)是由一個光電耦合器或一個交流光電晶體管來實現(xiàn)的，如圖3所示。

圖3：交流光電晶體管過零檢測原理圖（來源：作者）

在交流光電晶體管中，向晶體管發(fā)射脈沖的組件是雙向可控硅或雙端設備，由兩個反向并聯(lián)配置的二極管組成。H11AA1是經(jīng)典的交流光電晶體管。

另一個重要的器件是雙向可控硅，一個三端設備，其中兩個端子稱為陽極，是受控電流的通道，而第三個端子（即定義的柵極）是控制輸入：當柵極為低電平時，交流信號的傳導被禁止，而當門為高電平時，交流信號的傳導被允許直到下一次通過0（半周期結束）。從物理上講，雙向可控硅由兩個反向并聯(lián)的SCR構成，其柵極短路。

還存在諸如光電晶體管或固態(tài)繼電器之類的設備，這些設備具有用于檢測內部零交叉的電路，但是先前電路的實現(xiàn)方式使我們能夠更好地理解問題，并對電路的行為進行精確控制。實際上，通過使用過零檢測電路和微控制器，我們可以實現(xiàn)脈沖發(fā)射控制和相角控制技術。基于選擇的驅動算法的微控制器命令會觸發(fā)用于功率傳輸?shù)慕M件，通常是三端雙向可控硅開關（如BTA140）或光電三端雙向可控硅開關（如MOC3052或MOC3011）。

連發(fā)射擊控制

可以將此技術視為PWM，其中開關頻率和占空比是正弦波周期的倍數(shù)。在實踐中，一旦說明了調制周期必須持續(xù)多少個周期，就在每個步驟中激活三端雙向可控硅開關為0，以遵守已建立的占空比。這樣，三端雙向可控硅開關元件總是在電流為0時接通和斷開，以免產(chǎn)生二次諧波。在圖4中，可以看到一個時序圖示例。因此，傳遞給負載的功率將與占空比成正比。

圖4：突發(fā)觸發(fā)控制的時序圖（來源：實用控制）

從EMC的角度來看，該技術無疑易于實施且可靠。然而，必須在知道深度負載特征的情況下選擇激活周期：雖然對于電阻而言，預期的周期較長（存在無法傳遞足夠能量的風險），但對于電動機或其他執(zhí)行器，該參數(shù)可能完全不同。

相角控制

用于控制傳遞到負載的能量的最流行的技術之一是相位角控制：當越過0時，在激活三端雙向可控硅開關元件的柵極之前，預設時間（對應于觸發(fā)角）會延遲（這將允許通過）。電流持續(xù)到半周期結束）。以這種方式，功率傳遞僅在該周期的一部分中發(fā)生。

突發(fā)點火控制基于有效和無效周期之間的關系，而相位角控制則基于周期內傳遞的能量百分比。

此控件的時序圖如圖5所示。

圖5：相角控制的時序圖（來源：實踐控制）

該技術可用于所有類型的負載，并引入放電電路（緩沖器）以避免感性負載出現(xiàn)問題。

軟啟動和突發(fā)觸發(fā)控制

一個更聰明，當然也很優(yōu)雅的解決方案，以及在實踐中非常有用的功能，是將軟啟動與突發(fā)觸發(fā)控制相結合。某些執(zhí)行器，例如電動機，不能直接以最大功率運行（一般大型電動機的動量差會使其脫離地面！），因此它們需要一個軟啟動機制，可以將其插入開啟設備時進行相位角控制，其主要控制方法仍然是突發(fā)觸發(fā)控制。在軟啟動期間，觸發(fā)角度可以逐漸增加傳遞給負載的功率，直至0度，并最終導致脈沖觸發(fā)控制。

綜上所述

交流負載的驅動現(xiàn)在已成為一個相當固定的主題，有許多技術可以解決此問題。新技術基于對能源效率的追求，并減少了放置在電網(wǎng)上的危險峰值和令人討厭的峰值。

應當注意，在本文所述的驅動技術中，輸入電流的頻率沒有改變，但是功率傳輸僅提供了負載上使用的能量的時間范圍。

此外，還創(chuàng)建了采用SiC和GaN技術的新型SCR和雙向可控硅器件，從而可以增加支持的功率并提高熱穩(wěn)定性。

編輯：hfy