三相高頻斬波式交流穩壓裝置的研究

1引言

工業設備及大型計算機站等場合，大量應用大功率交流穩壓電源。在各種交流穩壓設備中，多采用電壓補償原理來穩定輸出電壓，如：大功率接觸補償型交流穩壓電源，無觸點感應補償型及開關補償型交流穩壓電源等。在這些設備中，補償電路多在基頻（50Hz）下工作，所以設備體積重量大，轉換效率低，限制了它們在大功率場合下的應用。

文獻[1][2]等提出了一些高頻補償式電路，但由于使用的元器件較多，電路結構復雜，成本高，難以在實用中得到推廣和實用。

文獻[3]提出了一種三相高頻PWMAC鏈調節器。由于該電路使用開關器件少，控制簡單，補償電路電感性元件為高頻元件，數目少，是一種極有開發應用價值的變換電路。本文主要介紹該電路的工作原理，主要參數設計和仿真波形及實驗結果。

2電路結構及工作原理

此三相高頻斬波交流調壓主電路如圖1所示。為便于分析，暫不考慮變壓器。

開關S1，S2，S3用于交流斬波，開關S4用來在開關S1，S2，S3關斷時為負載續流。S1，S2，S3和S4互補導通。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為負載。

為了防止S1，S2，S3和S4同時導通，在它們互補導通轉換時設置了死區。在死區時段由電容CP為負載電流提供旁路，電阻RP在死區過后供電容CP放電。變壓器用于給負載提供合適的電壓并隔離負載和主電路。

此電路正常工作時，有以下幾個工作模式：

2?1供能模式

工作在此模式，開關S1，S2，S3導通，S4關斷，輸入電壓加在負載上。如圖2所示，假設電流方向如圖所示。

2?2旁路模式

工作在此模式，開關S1，S2，S3，S4都關斷。負載電流通過旁路電容CP和三相整流橋中的二極管以及開關管的并聯二極管保持連續。如圖3所示。在此期間會有一部分能量存儲在旁路電容CP中，此能量在死區結束后通過電阻RP泄放。

圖1三相高頻斬波交流調壓主電路圖

圖2供能模式

圖3旁路模式

圖4續流模式

圖5死區等效電路

(a)等效電路(b)等效模型

2?3續流模式

工作在此模式，開關S1，S2，S3關斷，S4導通，L1，L2，L3釋放能量使負載電流通過S4保持連續。如圖4所示。

3主要參數設計

供電通路主要工作在雙向Buck狀態，故圖1中a（或b、c）點電壓通過傅立葉級數分解可得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)，只要開關頻率足夠高，濾波電感L可以很小，因此，功率電路的設計主要是旁路電容及電阻的設計。

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

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

3?1旁路電容C與泄放電阻R的設計為了方便推導，分別以電路相電流有效值、相電壓有效值為標么值，并設M=，K=，其中Ti為輸入電源周期，tbp為死區時間。電容電流峰值，則(2)由于旁路電流峰值與最小值差別不大，為簡便計算，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）由于上述推導中用代替，所以實際取值時對Rbp可適當放大。

3?2仿真及實驗

設計一只交流穩壓電源，其參數如下：

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（實際仿真及實驗取值為1.5kΩ）；Cbp=，當取為11V時，Cbp為1μF；開關管S1～S4（帶寄生反向二極管）型號為1MBH60D?100，二極管D4～D9型號為MUR8100T。

仿真負載電壓波形如圖6（D=0.8）所示。

在輸入線電壓有效值為100V時，實驗電路負載電壓波形（某一相）如圖7（D=0.75）所示。

4結論

由仿真及實驗結果表明，在較小濾波電感及旁路電容作用下，的確可以調節輸出電壓，加入適當的波形反饋控制，可以更進一步優化輸出波形。