三相高频斩波式交流稳压装置的研究

工业设备及大型计算机站等场合，大量应用大功率交流稳压电源。在各种交流稳压设备中，多采用电压补偿原理来稳定输出电压，如：大功率接触补偿型交流稳压电源，无触点感应补偿型及开关补偿型交流稳压电源等。在这些设备中，补偿电路多在基频（50Hz）下工作，所以设备体积重量大，转换效率低，限制了它们在大功率场合下的应用。

　　文献[1][2]等提出了一些高频补偿式电路，但由于使用的元器件较多，电路结构复杂，成本高，难以在实用中得到推广和实用。

　　文献[3]提出了一种三相高频PWMAC链调节器。由于该电路使用开关器件少，控制简单，补偿电路电感性元件为高频元件，数目少，是一种极有开发应用价值的变换电路。本文主要介绍该电路的工作原理，主要参数设计和仿真波形及实验结果。

　　2 电路结构及工作原理

　　此三相高频斩波交流调压主电路如图1所示。为便于分析，暂不考虑变压器。

图1 三相高频斩波交流调压主电路图

　　开关S1，S2，S3用于交流斩波，开关S4用来在开关S1，S2，S3关断时为负载续流。S1，S2，S3和S4互补导通。C1，C2，C3为各相旁路电容，用CP表示，R1，R2，R3为各相旁路电阻，用RP表示。L1，L2，L3为滤波电感，R4，R5，R6为负载。

　　为了防止S1，S2，S3和S4同时导通，在它们互补导通转换时设置了死区。在死区时段由电容CP为负载电流提供旁路，电阻RP在死区过后供电容CP放电。变压器用于给负载提供合适的电压并隔离负载和主电路。

　　此电路正常工作时，有以下几个工作模式：

　　2.1 供能模式

　　工作在此模式，开关S1，S2，S3导通，S4关断，输入电压加在负载上。如图2所示，假设电流方向如图所示。

图2 供能模式

　　2.2 旁路模式

　　工作在此模式，开关S1，S2，S3，S4都关断。负载电流通过旁路电容CP和三相整流桥中的二极管以及开关管的并联二极管保持连续。如图3所示。在此期间会有一部分能量存储在旁路电容CP中，此能量在死区结束后通过电阻RP泄放。

图3 旁路模式

　　2.3 续流模式

　　工作在此模式，开关S1，S2，S3关断，S4导通，L1，L2，L3释放能量使负载电流通过S4保持连续。如图4所示。

图4 续流模式

　　3 主要参数设计

　　供电通路主要工作在双向Buck状态，故图1中a（或b、c）点电压通过傅立叶级数分解可得ua=DV1＋Va′ncos[(nωs±ωi)t](1)

　　式中：ωi为输入电压角频率；ωs为开关角频率；Va′n为输出谐波幅值；D为占空比。

　　其谐波分布在(nωs±ωi)，只要开关频率足够高，滤波电感L可以很小，因此，功率电路的设计主要是旁路电容及电阻的设计。

　　由前所述，旁路电容的作用主要是在"死区"期间，连续负载电流波形。其等效电路如图5(a)所示（以a相电路供电为例）。

　　由于电容作用时间很短（2μs～3μs），可以将电源电压与负载电流看作恒定值，其等效模型如图5(b)所示。

图5 死区等效电路

(a)等效电路(b)等效模型

　3.1 旁路电容C与泄放电阻R的设计

为了方便推导，分别以电路相电流有效值、相电压有效值为标么值，并设M=，K=，其中Ti为输入电源周期，tbp为死区时间。电容电流峰值，则(2)由于旁路电流峰值与最小值差别不大，为简便计算，用代替，则电流平均值为：(3)

　　电容电压为：

VCbp=VPm[1＋cos(ωit＋φ)]（4）

　　式中：φ为初相角

　　其平均值为：(P,U)（5）

　　则其峰值和有效值分别为：

（6）（7）由于，则(P.U)（8）(P.U)（9）又（P.U)，所以旁路电阻为：(P.U)（10）由于上述推导中用代替，所以实际取值时对Rbp可适当放大。

　　3.2 仿真及实验

　　设计一只交流稳压电源，其参数如下：

　　RL=30Ω，tbp=2μs，fs=20kHz，Ts=50μs，fi=50Hz，M==10000，K==400，=5.77A。则有Rbp =37.5(P.U)，即Rbp 1.3kΩ（实际仿真及实验取值为1.5kΩ）；Cbp=，当取为11V时，Cbp为1μF；开关管S1～S4（带寄生反向二极管）型号为1MBH60D 100，二极管D4～D9型号为MUR8100T。

　　仿真负载电压波形如图6（D=0.8）所示。

图6 仿真负载电压波形（三相）

　　在输入线电压有效值为100V时，实验电路负载电压波形（某一相）如图7（D=0.75）所示。

图7 输出电压波形（一相）

　　4 结论

　　由仿真及实验结果表明，在较小滤波电感及旁路电容作用下，的确可以调节输出电压，加入适当的波形反馈控制，可以更进一步优化输出波形。