摘要：討論了交流斬控技術(shù)在交流穩(wěn)壓電源中的應(yīng)用原理，分析了主電路及控制電路的結(jié)構(gòu)，并闡述了交流斬控補(bǔ)償式交流穩(wěn)壓電源的優(yōu)點(diǎn)。

關(guān)鍵詞：交流斬控；補(bǔ)償穩(wěn)壓；非互補(bǔ)控制

0    引言

    交流穩(wěn)壓技術(shù)的發(fā)展一直倍受廣大用戶和生產(chǎn)廠商的關(guān)注，其原因在于我國(guó)市場(chǎng)上現(xiàn)有的各種交流電力穩(wěn)壓產(chǎn)品，在技術(shù)性能上都有不盡人意之處。

    在我國(guó)應(yīng)用較早，且用戶最廣的交流電力穩(wěn)壓電源當(dāng)屬柱式（或盤(pán)式）交流穩(wěn)壓器，雖然這種穩(wěn)壓電源有很多優(yōu)點(diǎn)，但由于它是用機(jī)械傳動(dòng)結(jié)構(gòu)驅(qū)動(dòng)碳刷（或滾輪）以調(diào)節(jié)自耦變壓器抽頭位置的方法進(jìn)行穩(wěn)壓，所以存在工作壽命短，可靠性差，動(dòng)態(tài)響應(yīng)速度慢等難以克服的缺陷。

    近年來(lái)不少生產(chǎn)廠家針對(duì)柱式交流電力穩(wěn)壓器所存在的缺點(diǎn)，紛紛推出無(wú)觸點(diǎn)補(bǔ)償式交流穩(wěn)壓器，大有取代柱式穩(wěn)壓器之勢(shì)。這種電源實(shí)質(zhì)上仍然是采用自耦方式進(jìn)行調(diào)壓，所不同的只是通過(guò)控制若干個(gè)晶閘管的通斷，改變自耦變壓器多個(gè)固定抽頭的組合方式，來(lái)代替通過(guò)機(jī)械傳動(dòng)驅(qū)動(dòng)碳刷改變自耦變壓器抽頭位置的一種調(diào)壓方法。這種方法固然提高了穩(wěn)壓電源的可靠性和動(dòng)態(tài)響應(yīng)速度，但卻失去了一個(gè)重要的調(diào)節(jié)特性——平滑性，即調(diào)節(jié)是有級(jí)的，其必然結(jié)果是穩(wěn)壓精度低（一般只有3％～5％），并且在調(diào)節(jié)過(guò)程中，當(dāng)負(fù)載電流很大時(shí)會(huì)沖擊電網(wǎng)并產(chǎn)生低頻次諧波分量，對(duì)負(fù)載也會(huì)產(chǎn)生沖擊；另外采用這種方法所用變壓器較多（一相至少需二臺(tái)，即一臺(tái)自耦變壓器，一臺(tái)補(bǔ)償變壓器），這就增加了電源的自重和空載損耗。

    伴隨著全控開(kāi)關(guān)器件的容量和性能以及模塊化程度的提高，集成控制電路功能的不斷完善，吉林市長(zhǎng)城科技有限責(zé)任公司憑借自己的科技實(shí)力，率先研制出采用PWM技術(shù)，通過(guò)全控開(kāi)關(guān)器件IGBT，對(duì)交流進(jìn)行斬波控制的新型補(bǔ)償式交流穩(wěn)壓電源——JJY－ZK/BW系列斬控補(bǔ)償式交流穩(wěn)壓電源。為我國(guó)交流穩(wěn)壓技術(shù)的創(chuàng)新和滿足市場(chǎng)對(duì)高性能交流穩(wěn)壓電源的需求開(kāi)創(chuàng)了新局面，下面對(duì)PWM交流斬控技術(shù)在該種交流穩(wěn)壓電源中的應(yīng)用原理及性能做一簡(jiǎn)要介紹。

1    PWM交流斬控調(diào)壓原理

    圖1（a）所示，假定電路中各部分都是理想狀態(tài)。開(kāi)關(guān)S₁為斬波開(kāi)關(guān)，S₂為考慮負(fù)載電感續(xù)流的開(kāi)關(guān)，二者均為全控開(kāi)關(guān)器件與二極管串聯(lián)組成的單相開(kāi)關(guān)[見(jiàn)圖1（b）]。S₁及S₂不允許同時(shí)導(dǎo)通，通常二者在開(kāi)關(guān)時(shí)序上互補(bǔ)。定義輸入電源電壓u的周期T與開(kāi)關(guān)周期T_s之比為電路工作載波比K_c，（K_c=T/T_s）。圖1（c）表示主電路在穩(wěn)態(tài)運(yùn)行時(shí)的輸出電壓波形。顯然輸出電壓u_o為：

    u_o=E(t)u=（1）

式中：E（t）為開(kāi)關(guān)函數(shù)，其波形示于圖1（c），函數(shù)由式（2）定義。

（c）工作波形

（b）單相全控開(kāi)關(guān)等值電路

（a）主電路拓?fù)?

圖1    PWM單相交流斬控調(diào)壓原理

    E(t)=（2）

在圖1（a）電路條件下，則

    u_o=E（t）Usinωt（3）

E（t）函數(shù)經(jīng)傅立葉級(jí)數(shù)展開(kāi)，可得

    E(t)=D＋cos(nω_st－θ_n)（4）

式中：D=，ω_s=，θ_n=；

      D為S₁的占空比；

      t_on1為一個(gè)開(kāi)關(guān)周期中S₁的導(dǎo)通時(shí)間。

將式（4）代入式（3）可得

    u_o=DUsinωt＋{sin[(nω_s＋ω)t－θ_n]－sin[(nω_s－ω)t－θ_n]}（5）

式（5）表明，u_o含有基波及各次諧波。諧波頻率在開(kāi)關(guān)頻率及其整數(shù)倍兩側(cè)±ω處分布，開(kāi)關(guān)頻率越高，諧波與基波距離越遠(yuǎn)，越容易濾掉。

    在經(jīng)LC濾波后，則有

    U_o=DU（6）

    把輸出電壓基波幅值與輸入電壓基波幅值之比定義為調(diào)壓電壓增益，即

    A_v==D（7）

    由此可見(jiàn)電壓增益等于占空比D，因此改變占空比就可以達(dá)到調(diào)壓的目的。

2    控制方案設(shè)計(jì)與工作原理

    一般情況下，PWM交流斬控調(diào)壓器的控制方式與主電路模型、電路結(jié)構(gòu)及相數(shù)有關(guān)。

    若采用互補(bǔ)控制，斬波開(kāi)關(guān)和續(xù)流開(kāi)關(guān)在換流過(guò)程中會(huì)出現(xiàn)短路，產(chǎn)生瞬時(shí)沖擊電流；如設(shè)置換相死區(qū)時(shí)間，又可能造成換相死區(qū)時(shí)間內(nèi)二個(gè)開(kāi)關(guān)都不導(dǎo)通使負(fù)載開(kāi)路，在有電感存在的情況下，會(huì)產(chǎn)生瞬時(shí)電壓沖擊。本方案采用有電壓、電流相位檢測(cè)的非互補(bǔ)控制方式，如圖2所示。對(duì)相數(shù)而言本方案采用三相四線制，即用三個(gè)單相電路，組合成三相電源，這樣可以避免相間干擾，保持各相電壓輸出穩(wěn)定。

圖2    PWM斬控補(bǔ)償式穩(wěn)壓電源主電路結(jié)構(gòu) [!--empirenews.page--]

    由圖2可見(jiàn)，V₁，V_D1與V₂，V_D2構(gòu)成雙向斬波開(kāi)關(guān)，V_f1，V_Df2與V_f2，V_Df1構(gòu)成雙向續(xù)流開(kāi)關(guān)；Lof及C_of分別為濾波電感、電容；u₁為補(bǔ)償變壓器初級(jí)繞組兩端電壓，u₂為向主電路補(bǔ)償?shù)碾妷?。本方案采用了有電壓、電流相位檢測(cè)的非互補(bǔ)控制方式。圖3為在R_L負(fù)載下，這種非互補(bǔ)的斬波開(kāi)關(guān)和續(xù)流開(kāi)關(guān)門(mén)極驅(qū)動(dòng)信號(hào)的時(shí)序配合及一個(gè)電源周期中輸出電壓的理想波形。

圖3    帶電流檢測(cè)的非互補(bǔ)控制時(shí)序

    由圖3可見(jiàn)根據(jù)負(fù)載電壓電流相位，一個(gè)電源工作周期可分為4個(gè)區(qū)間，一周期內(nèi)各開(kāi)關(guān)門(mén)極驅(qū)動(dòng)狀態(tài)如表1所列。

表1    IGBT門(mén)極驅(qū)動(dòng)狀態(tài)表

    “0”——柵極驅(qū)動(dòng)信號(hào)封鎖

     uG——斬波開(kāi)關(guān)和續(xù)流開(kāi)關(guān)柵極PWM驅(qū)動(dòng)信號(hào)

    上述工作狀態(tài)，可用邏輯表達(dá)式表示為：

    為保證電源滿足負(fù)載特性的要求及運(yùn)行可靠性,本方案采用了圖4所示的控制電路結(jié)構(gòu)。

圖4    穩(wěn)壓電源控制電路結(jié)構(gòu)

3    補(bǔ)償穩(wěn)壓原理及控制

    圖5示出補(bǔ)償穩(wěn)壓電路。

圖5    補(bǔ)償穩(wěn)壓原理圖 [!--empirenews.page--]

    圖5中電網(wǎng)電壓u，補(bǔ)償電壓u_c，輸出電壓u_o均為工頻。當(dāng)u與u_c相位差φ=0°時(shí)，u_o=u＋u_c；當(dāng)φ=180°時(shí)，u_o=u－u_c。因此，當(dāng)電網(wǎng)電壓u變化時(shí)調(diào)節(jié)u_c的大小以及與u的相對(duì)極性即可保證u_o的恒定。

    u與u_c相對(duì)極性變換的控制如圖6所示。其輸出u_Q接雙向晶閘管的過(guò)零觸發(fā)電路。采樣信號(hào)取自u_o經(jīng)整流濾波后的輸出。電位器R_p用于調(diào)節(jié)輸入信號(hào)的門(mén)檻電壓，其傳輸特性如圖6（b）所示。

(a)相對(duì)極性變換控制電路

(b)傳輸特性

圖6    u_i與u_c相對(duì)極性變換控制電路

4    結(jié)語(yǔ)

    PWM交流斬控技術(shù)用于交流穩(wěn)壓，顯著地提高了交流穩(wěn)壓電源的技術(shù)性能，其主要特點(diǎn)是：

    1）可采用全固態(tài)器件，真正做到了無(wú)觸點(diǎn)、無(wú)抽頭，因而可靠性高、工作壽命長(zhǎng)；

    2）平滑調(diào)節(jié)，輸出無(wú)級(jí)差，對(duì)電網(wǎng)及用戶無(wú)沖擊，不產(chǎn)生低頻次諧波干擾；

    3）輸出精度高，實(shí)際精度可達(dá)到±0.5％，即便在正補(bǔ)償與負(fù)補(bǔ)償變換瞬間，輸出電壓波動(dòng)也不超過(guò)額定電壓的1％；

    4）動(dòng)態(tài)響應(yīng)速度快，可達(dá)ms級(jí)；

    5）負(fù)載無(wú)選擇性，對(duì)感性負(fù)載、阻性負(fù)載、容性負(fù)載都適用；

    6）每相只需一臺(tái)變壓器，因而重量輕，自身功耗少。