某机载三相交流稳压电源的研制  

摘要：介绍了某机载三相交流稳压电源的研制情况。对电源电路进行了分析、计算和计算机仿真。应用高频脉宽调制斩波调感技术，以MOS场效应管取代了传统的双向晶闸管，用脉宽调制取代了相控技术。通过对电路的优化设计，降低了输入谐波电流。

关键词：谐振；交流稳压；计算机仿真

Development of Air-borne3?phase AC Power Regulator

MENG Ying-wu,DING Yu

Abstract:The development of air-borne 3-phase AC power regulator is introduced. The analysis, calculaTIon, and computer emulaTIon of the circuit are provided. In order to reduce the AC source current deformaTIon, the replacement of the thyristor controlled reactor by high freguency pulse width controlled reactor and the substuTIon of MOSFET for TRIAC are used.

Keywords:Resonance;ACregulation;Computeremulation

1  引言

    本文介绍的机载交流稳压电源的主要功能是为航空电子系统中的众多传感器提供交流激磁信号，要求性能稳定、小型轻量、高效率、高可靠性。大约在上世纪70年代，国外先进的作战飞机上使用的交流稳压电源，采用了变压器补偿式稳压技术，其原理是用多个补偿变压器组合，通过控制电路，切换补偿变压器进行补偿，补偿是有级的。而且所需的补偿变压器和切换开关较多，电路较复杂，补偿精度低。由于使用的中频补偿变压器较多，交流稳压电源的体积、重量大。

    近几年来，国内关于交流稳压电源的研究较为活跃，其研究的主要内容一种是线性谐振型技术及其改进;另一种是开关型交流稳压电源。线性谐振型（也称正弦能量分配器），它是通过LC谐振参量的改变使交流输出电压得到调整，以连续可调式获得优越的稳压性能。主电路中不含电力半导体器件，线路简单、可靠性高。但是由于存在输入电压范围不够宽，源端空载无功电流和谐波电流较大，以及容易发生振荡等缺点，使其发展和应用受到了限制，特别是在大功率场合的应用比较少。开关型交流稳压电源采用了先进的高频开关电源技术，可以减小体积、重量、节省铜铁材料，具有效率高，响应速度快等优点。它先将交流整流成脉动的直流，再通过高频脉宽调制（PWM）技术，将脉动的直流逆变成交流。再通过相位跟踪与转换电路取得与输入侧同频同相的补偿电压，加在输入与输出之间，使输出电压稳定。这项技术成为当今交流稳压电源技术发展的方向。但是，由于开关型交流稳压电源控制电路较复杂，国内微电子技术及其工艺技术发展较慢，目前还不可能提供专用控制芯片，所以难于推广。

    本文结合型号任务的研制，对线性谐振型交流稳压电源进行了研究，用先进的高频开关MOS场效应管取代传统的双向晶闸管，用高频PWM取代相控技术。通过对电路的优化设计，减小了谐波电流。调试和试验表明，该产品的控制电路简单，波形失真度小，性能稳定，已经用于某型号任务中。

2   电路设计及计算机仿真

2.1   电路基本原理

    该交流稳压电源的核心是单相36V400HzAC/AC稳压电路。它采用的是高频PWM斩波器调感法构成的新型交流稳压电源电路，具有产生谐波小，抗各类电磁干扰，稳压精度高，动态响应快等诸多优点。其电路原理如图1所示。

图1  高 频 PWM斩 波 器 式 稳 压 原 理 图

    图1中由L1，V1～V4，C3，V等构成高频PWM斩波电路。为减小MOS场效应管V的开关损耗，加入了由电阻，电容和二极管等元器件组成的软开通关断缓冲网络（RCDNET）。

    图1中的电感L1和高频PWM斩波支路，可用一等效电感Lx来表示。Lx是PWM斩波器中功率场效应管V导通占空比的函数。经推导[3]可得：

                          Lx=L1/D           (1)

式中：D为V管的导通占空比。

    同理，图1中LxC2并联电路的阻抗Z也是D的函数:

                  Z=jLxω/(1－ω2C2Lx)     （2）

式中：ω为输入源Uin的角频率。

    当输入电压降低或负载加重引起输出电压降低时，D增大，LxC2支路呈感性，支路电流在线性电感N2线圈上的压降与Uin同相，耦合到N3线圈上的电压UN3与Uin串联相加后补偿了输入电压的不足。

    当输入电压升高或负载减轻引起输出电压升高时，D减小，LxC2支路呈容性，支路电流在线性电感N2线圈上的压降与Uin反相，耦合到N3线圈上的电压UN3与Uin串联相减后抵消了过剩的输入电压。

    由以上分析可知，通过对输出电压进行采样闭环反馈控制导通占空比D的大小，自动改变N3线圈上电压的大小和相位，可实现输出电压的稳定。

2．2  电路参数选择

    将L1和高频PWM斩波器支路等效为一电感Lx后，则图1电路为一线性电路，将其中的耦合电感L2，L3进行去耦等效，并忽略L4，C1滤波支路后，对等效电路运用基尔霍夫定律列回路方程可解得:

  =(3)

式中：Lm=Lx/(1－ω2C2Lx)。

    由于Uin与Uout基本同相，故忽略两者的相位差可得：

  ||=·||(4)

式中：M=为耦合电感L2，L3的互感。

    根据式（4）所提供的输入和输出电压之间的函数关系式，即可根据系统需求确定L1、L2、L3，从而设计出满足性能要求的主电路。

    在实际的电路参数选择中，为加快设计速度，提高设计质量，采用根据工程估算并结合仿真软件进行优化设计的方法。

    根据以下原则估算L1，L2，L3等参数：

    1)由电感L2，L3，C2等构成正弦能量分配网络，其自然谐振频率应设在输入源频率的1.3～2倍之间[3]，以保证源频率变化时对网络影响较小，在本设计中由于源频率为400Hz，故网络谐振频率应取为520～800Hz；

    2)N3/N2是决定输入电压范围的主要参数，N3/N2过小时，输入电压的范围不够宽，N3/N2过大时，则导致系统的瞬态响应特性变坏，负载适应能力下降，实际的N3/N2取0.4～0.7，可获得良好的瞬态响应性能和负载特性等指标；

    3)电路中由于谐波失真等指标的限制，L1不能过小。在实际的开关控制中，由于采用的是高频PWM斩波方式，输出的高次谐波只要用小容量的电容器C3即可消除。这样当源频率为400Hz时，取PWM开关频率为80kHz，主电路中L1=20mH时C3=0.1μF即可滤掉高频斩波器中的高次谐波；

    4)在主电路中，N4和C1支路具有滤波和减少电流波形失真的功能。电容C1的取值不可过大。当C1值过分增大时，电路的调节极性将逆转，不再具有稳压功能。

2．3  电路计算机仿真

    根据上述原则估算得出一组参数值后，在输出为AC36V400Hz50VA的条件下，运用“IsSpice4"模拟及数字混合电路仿真软件对主电路进行仿真。仿真电路如图2所示。

图2  主 电 路 的 仿 真 电 路 图

    在仿真电路中，分别用电压源V2和V1等效输入源和PWM高频脉冲源，输出负载用一纯电阻等效。在输入分别为AC 29V 400Hz和AC 45V 400Hz的条件下，电路输入和输出的仿真波形如图3所示。

(a)输 入 为AC 45V 400Hz时 仿 真 波 形

(b)输 入 为AC 29V 400Hz时 仿 真 波 形

图3  仿 真 输 入 与 输 出 电 压 波 形

    由以上仿真结果可以看出，当输入源从AC 29～45V 400Hz变化时，输出始终稳定在AC 36V 400Hz上。

3  结构设计

    结构设计主要考虑机械强度和散热。本文介绍的三相交流稳压电源为箱体结构，变压器及电感安装在箱体上以加强机械强度和散热效果。控制电路为插件形式，提高了电路的互换性和可维护性。电气连接通过接插件和母板连接，接口的电气连接通过前面板航空连接器，实现机箱内外电气连接。锁紧装置将插件和机箱连为一起。

4  实验结果

    由于高频PWM斩波调感式稳压电路具有各相电压可以分别调整的特点，故容易制成三相平衡式交流稳压电源。依据以上电路制成了总输出功率为150VA 400Hz的三相交流稳压电源。其中，开关MOS场效应管使用了宇航级器件，PWM使用了军品883级器件，线性电感使用了环形带气隙的新型材料和特殊工艺。实测的三相交流稳压电源在输入分别为AC 29V 400Hz和AC 45V 400Hz的条件下输入和输出电压波形如图4所示。图5给出了在额定条件下对输 出 进 行 快 速 傅 立 叶 变 换 （FFT） 所 得 的 频 谱 分 析 图 。

(a)输入为AC45V400Hz时实测波形

(b)输入为AC29V400Hz时实测波形

图4  实测输入与输出电压波形

图5  额定条件下输出波形的频谱分析图

    由图4可见，实测波形与仿真波形吻合的较好，验证了仿真结果的正确性。由图5可见，除400Hz基波外，输出基本无谐波分量。

    对该三相交流稳压电源进行测试，其主要技术指标如下：

    ——电压稳定度?≤1％；

    ——负载稳定度?≤1％；

    ——效率?≥88％（输出满载时）；

    ——三相输出电压相位差120°；

    ——输出波形失真度?≤3％（设供电电压基本无失真）。

5  结语

    改进的线性谐振型交流稳压电源的空载电流和谐波电流比传统的晶闸管调感电源小（实际上，电源可长时间空载），输入稳压范围虽然较窄，但是，完全可以满足实际使用要求。系统稳定、可靠，在小功率应用场合有一定的推广价值。该技术已成功地用于某机载产品的研制中。今后，还应进一步优化电路设计，降低MOS场效应管开关噪声和开关损耗。

参考文献

[1]  刘凤君.交流调感稳压电源中等效电感的分析[J].电源技术应用,2001（4）

[2]  张乃国.交流稳压分册[M].辽宁科学技术出版社出版,1999

[3]  林周布.线性谐振型交流稳压技术的分析与研究[J].电源技术应用,1999（6）