PWM交流斩控技术在交流稳压电源中的应用

摘要：讨论了交流斩控技术在交流稳压电源中的应用原理，分析了主电路及控制电路的结构，并阐述了交流斩控补偿式交流稳压电源的优点。

关键词：交流斩控；补偿稳压；非互补控制

0    引言

    交流稳压技术的发展一直倍受广大用户和生产厂商的关注，其原因在于我国市场上现有的各种交流电力稳压产品，在技术性能上都有不尽人意之处。

    在我国应用较早，且用户最广的交流电力稳压电源当属柱式（或盘式）交流稳压器，虽然这种稳压电源有很多优点，但由于它是用机械传动结构驱动碳刷（或滚轮）以调节自耦变压器抽头位置的方法进行稳压，所以存在工作寿命短，可靠性差，动态响应速度慢等难以克服的缺陷。

    近年来不少生产厂家针对柱式交流电力稳压器所存在的缺点，纷纷推出无触点补偿式交流稳压器，大有取代柱式稳压器之势。这种电源实质上仍然是采用自耦方式进行调压，所不同的只是通过控制若干个晶闸管的通断，改变自耦变压器多个固定抽头的组合方式，来代替通过机械传动驱动碳刷改变自耦变压器抽头位置的一种调压方法。这种方法固然提高了稳压电源的可靠性和动态响应速度，但却失去了一个重要的调节特性——平滑性，即调节是有级的，其必然结果是稳压精度低（一般只有3％～5％），并且在调节过程中，当负载电流很大时会冲击电网并产生低频次谐波分量，对负载也会产生冲击；另外采用这种方法所用变压器较多（一相至少需二台，即一台自耦变压器，一台补偿变压器），这就增加了电源的自重和空载损耗。

    伴随着全控开关器件的容量和性能以及模块化程度的提高，集成控制电路功能的不断完善，吉林市长城科技有限责任公司凭借自己的科技实力，率先研制出采用PWM技术，通过全控开关器件IGBT，对交流进行斩波控制的新型补偿式交流稳压电源——JJY－ZK/BW系列斩控补偿式交流稳压电源。为我国交流稳压技术的创新和满足市场对高性能交流稳压电源的需求开创了新局面，下面对PWM交流斩控技术在该种交流稳压电源中的应用原理及性能做一简要介绍。

1    PWM交流斩控调压原理

    图1（a）所示，假定电路中各部分都是理想状态。开关S₁为斩波开关，S₂为考虑负载电感续流的开关，二者均为全控开关器件与二极管串联组成的单相开关[见图1（b）]。S₁及S₂不允许同时导通，通常二者在开关时序上互补。定义输入电源电压u的周期T与开关周期T_s之比为电路工作载波比K_c，（K_c=T/T_s）。图1（c）表示主电路在稳态运行时的输出电压波形。显然输出电压u_o为：

    u_o=E(t)u=（1）

式中：E（t）为开关函数，其波形示于图1（c），函数由式（2）定义。

（c）工作波形

（b）单相全控开关等值电路

（a）主电路拓扑

图1    PWM单相交流斩控调压原理

    E(t)=（2）

在图1（a）电路条件下，则

    u_o=E（t）Usinωt（3）

E（t）函数经傅立叶级数展开，可得

    E(t)=D＋cos(nω_st－θ_n)（4）

式中：D=，ω_s=，θ_n=；

      D为S₁的占空比；

      t_on1为一个开关周期中S₁的导通时间。

将式（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含有基波及各次谐波。谐波频率在开关频率及其整数倍两侧±ω处分布，开关频率越高，谐波与基波距离越远，越容易滤掉。

    在经LC滤波后，则有

    U_o=DU（6）

    把输出电压基波幅值与输入电压基波幅值之比定义为调压电压增益，即

    A_v==D（7）

    由此可见电压增益等于占空比D，因此改变占空比就可以达到调压的目的。

2    控制方案设计与工作原理

    一般情况下，PWM交流斩控调压器的控制方式与主电路模型、电路结构及相数有关。

    若采用互补控制，斩波开关和续流开关在换流过程中会出现短路，产生瞬时冲击电流；如设置换相死区时间，又可能造成换相死区时间内二个开关都不导通使负载开路，在有电感存在的情况下，会产生瞬时电压冲击。本方案采用有电压、电流相位检测的非互补控制方式，如图2所示。对相数而言本方案采用三相四线制，即用三个单相电路，组合成三相电源，这样可以避免相间干扰，保持各相电压输出稳定。

图2    PWM斩控补偿式稳压电源主电路结构

    由图2可见，V₁，V_D1与V₂，V_D2构成双向斩波开关，V_f1，V_Df2与V_f2，V_Df1构成双向续流开关；Lof及C_of分别为滤波电感、电容；u₁为补偿变压器初级绕组两端电压，u₂为向主电路补偿的电压。本方案采用了有电压、电流相位检测的非互补控制方式。图3为在R_L负载下，这种非互补的斩波开关和续流开关门极驱动信号的时序配合及一个电源周期中输出电压的理想波形。

图3    带电流检测的非互补控制时序

    由图3可见根据负载电压电流相位，一个电源工作周期可分为4个区间，一周期内各开关门极驱动状态如表1所列。

表1    IGBT门极驱动状态表

    “0”——栅极驱动信号封锁

     uG——斩波开关和续流开关栅极PWM驱动信号

    上述工作状态，可用逻辑表达式表示为：

    为保证电源满足负载特性的要求及运行可靠性,本方案采用了图4所示的控制电路结构。

图4    稳压电源控制电路结构

3    补偿稳压原理及控制

    图5示出补偿稳压电路。

图5    补偿稳压原理图

    图5中电网电压u，补偿电压u_c，输出电压u_o均为工频。当u与u_c相位差φ=0°时，u_o=u＋u_c；当φ=180°时，u_o=u－u_c。因此，当电网电压u变化时调节u_c的大小以及与u的相对极性即可保证u_o的恒定。

    u与u_c相对极性变换的控制如图6所示。其输出u_Q接双向晶闸管的过零触发电路。采样信号取自u_o经整流滤波后的输出。电位器R_p用于调节输入信号的门槛电压，其传输特性如图6（b）所示。

(a)相对极性变换控制电路

(b)传输特性

图6    u_i与u_c相对极性变换控制电路

4    结语

    PWM交流斩控技术用于交流稳压，显著地提高了交流稳压电源的技术性能，其主要特点是：

    1）可采用全固态器件，真正做到了无触点、无抽头，因而可靠性高、工作寿命长；

    2）平滑调节，输出无级差，对电网及用户无冲击，不产生低频次谐波干扰；

    3）输出精度高，实际精度可达到±0.5％，即便在正补偿与负补偿变换瞬间，输出电压波动也不超过额定电压的1％；

    4）动态响应速度快，可达ms级；

    5）负载无选择性，对感性负载、阻性负载、容性负载都适用；

    6）每相只需一台变压器，因而重量轻，自身功耗少。