三相高頻斬波式交流穩(wěn)壓裝置的研究

1引言

工業(yè)設(shè)備及大型計(jì)算機(jī)站等場(chǎng)合，大量應(yīng)用大功率交流穩(wěn)壓電源。在各種交流穩(wěn)壓設(shè)備中，多采用電壓補(bǔ)償原理來(lái)穩(wěn)定輸出電壓，如：大功率接觸補(bǔ)償型交流穩(wěn)壓電源，無(wú)觸點(diǎn)感應(yīng)補(bǔ)償型及開關(guān)補(bǔ)償型交流穩(wěn)壓電源等。在這些設(shè)備中，補(bǔ)償電路多在基頻（50Hz）下工作，所以設(shè)備體積重量大，轉(zhuǎn)換效率低，限制了它們?cè)诖蠊β蕡?chǎng)合下的應(yīng)用。

文獻(xiàn)[1][2]等提出了一些高頻補(bǔ)償式電路，但由于使用的元器件較多，電路結(jié)構(gòu)復(fù)雜，成本高，難以在實(shí)用中得到推廣和實(shí)用。

文獻(xiàn)[3]提出了一種三相高頻PWMAC鏈調(diào)節(jié)器。由于該電路使用開關(guān)器件少，控制簡(jiǎn)單，補(bǔ)償電路電感性元件為高頻元件，數(shù)目少，是一種極有開發(fā)應(yīng)用價(jià)值的變換電路。本文主要介紹該電路的工作原理，主要參數(shù)設(shè)計(jì)和仿真波形及實(shí)驗(yàn)結(jié)果。

2電路結(jié)構(gòu)及工作原理

此三相高頻斬波交流調(diào)壓主電路如圖1所示。為便于分析，暫不考慮變壓器。

開關(guān)S1，S2，S3用于交流斬波，開關(guān)S4用來(lái)在開關(guān)S1，S2，S3關(guān)斷時(shí)為負(fù)載續(xù)流。S1，S2，S3和S4互補(bǔ)導(dǎo)通。C1，C2，C3為各相旁路電容，用CP表示，R1，R2，R3為各相旁路電阻，用RP表示。L1，L2，L3為濾波電感，R4，R5，R6為負(fù)載。

為了防止S1，S2，S3和S4同時(shí)導(dǎo)通，在它們互補(bǔ)導(dǎo)通轉(zhuǎn)換時(shí)設(shè)置了死區(qū)。在死區(qū)時(shí)段由電容CP為負(fù)載電流提供旁路，電阻RP在死區(qū)過(guò)后供電容CP放電。變壓器用于給負(fù)載提供合適的電壓并隔離負(fù)載和主電路。

此電路正常工作時(shí)，有以下幾個(gè)工作模式：

2?1供能模式

工作在此模式，開關(guān)S1，S2，S3導(dǎo)通，S4關(guān)斷，輸入電壓加在負(fù)載上。如圖2所示，假設(shè)電流方向如圖所示。

2?2旁路模式

工作在此模式，開關(guān)S1，S2，S3，S4都關(guān)斷。負(fù)載電流通過(guò)旁路電容CP和三相整流橋中的二極管以及開關(guān)管的并聯(lián)二極管保持連續(xù)。如圖3所示。在此期間會(huì)有一部分能量存儲(chǔ)在旁路電容CP中，此能量在死區(qū)結(jié)束后通過(guò)電阻RP泄放。

圖1三相高頻斬波交流調(diào)壓主電路圖

圖2供能模式

圖3旁路模式

圖4續(xù)流模式

圖5死區(qū)等效電路

(a)等效電路(b)等效模型

2?3續(xù)流模式

工作在此模式，開關(guān)S1，S2，S3關(guān)斷，S4導(dǎo)通，L1，L2，L3釋放能量使負(fù)載電流通過(guò)S4保持連續(xù)。如圖4所示。

3主要參數(shù)設(shè)計(jì)

供電通路主要工作在雙向Buck狀態(tài)，故圖1中a（或b、c）點(diǎn)電壓通過(guò)傅立葉級(jí)數(shù)分解可得ua=DV1＋Va′ncos[(nωs±ωi)t](1)

式中：ωi為輸入電壓角頻率；

ωs為開關(guān)角頻率；

Va′n為輸出諧波幅值；

D為占空比。

其諧波分布在(nωs±ωi)，只要開關(guān)頻率足夠高，濾波電感L可以很小，因此，功率電路的設(shè)計(jì)主要是旁路電容及電阻的設(shè)計(jì)。

由前所述，旁路電容的作用主要是在“死區(qū)”期間，連續(xù)負(fù)載電流波形。其等效電路如圖5(a)所示（以a相電路供電為例）。

由于電容作用時(shí)間很短（2μs～3μs），可以將電源電壓與負(fù)載電流看作恒定值，其等效模型如圖5(b)所示。

3?1旁路電容C與泄放電阻R的設(shè)計(jì)為了方便推導(dǎo)，分別以電路相電流有效值、相電壓有效值為標(biāo)么值，并設(shè)M=，K=，其中Ti為輸入電源周期，tbp為死區(qū)時(shí)間。電容電流峰值，則(2)由于旁路電流峰值與最小值差別不大，為簡(jiǎn)便計(jì)算，用代替，則電流平均值為：(3)

電容電壓為：

VCbp=VPm[1＋cos(ωit＋φ)]（4）

式中：φ為初相角

其平均值為：(P,U)（5）

則其峰值和有效值分別為：

圖6仿真負(fù)載電壓波形（三相）

圖7輸出電壓波形（一相）

（6）（7）由于，則(P.U)（8）(P.U)（9）又（P.U)，所以旁路電阻為：(P.U)（10）由于上述推導(dǎo)中用代替，所以實(shí)際取值時(shí)對(duì)Rbp可適當(dāng)放大。

3?2仿真及實(shí)驗(yàn)

設(shè)計(jì)一只交流穩(wěn)壓電源，其參數(shù)如下：

RL=30Ω，tbp=2μs，fs=20kHz，Ts=50μs，fi=50Hz，M==10000，K==400，=5.77A。則有Rbp?=37.5(P.U)，即Rbp?1.3kΩ（實(shí)際仿真及實(shí)驗(yàn)取值為1.5kΩ）；Cbp=，當(dāng)取為11V時(shí)，Cbp為1μF；開關(guān)管S1～S4（帶寄生反向二極管）型號(hào)為1MBH60D?100，二極管D4～D9型號(hào)為MUR8100T。

仿真負(fù)載電壓波形如圖6（D=0.8）所示。

在輸入線電壓有效值為100V時(shí)，實(shí)驗(yàn)電路負(fù)載電壓波形（某一相）如圖7（D=0.75）所示。

4結(jié)論

由仿真及實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，在較小濾波電感及旁路電容作用下，的確可以調(diào)節(jié)輸出電壓，加入適當(dāng)?shù)牟ㄐ畏答伩刂?，可以更進(jìn)一步優(yōu)化輸出波形。