新型高性價比互補開關分調式交流穩壓技術

摘要：介紹一種新型高性價比互補開關分調式交流穩壓電源，并認為此項新技術具有很好的應用前景。

關鍵詞：穩壓電源互補開關式

A Noval High P/C Ratio Complemented TAP Switching AC Regulater

Abstract:This paper introduces a noval high P/C ratio complemented tap switching AC requlater,and the author predicted that the new technique would has very good applications in the future.

Keywords:Regulater, Complemented TAP switching

中圖法分類號：TN86文獻標識碼：A文章編號：0219?2713(2000)12－621－05

1引言

從應用角度來看，交流穩壓器在許多場合仍為不可缺少的設備。從技術上來說，較穩定的交流電壓可以顯著地提高用電設備的可靠性與經濟性，即使UPS也不例外。現在電力配電趨向于集中監控分布供電的方式，因此功率容量在20kW～60kW的價廉物美的三相交流穩壓器有較大市場。

提高交流穩壓器使用性能，降低成本，是交流穩壓器的使用價值所在。這些性能是：

（1）成本較低（即售價只有市售交流穩壓器的一半以下)；

（2）穩壓范圍極寬，源電壓的下限能低至額定電壓的70％以下，上限能達到額定電壓的115％以上；

（3）具有較強的對EMI/RFI的抑制功能；

（4）高可靠性、大功率。

具有與UPS這樣鮮明差異的性能要求與使用目的的產品，必有它的市場存在價值。

能達到上述性能要求的交流穩壓器是自耦變壓器抽頭開關分調型與伺服電機驅動接觸調壓變壓器型兩類。其中第一類又分為繼電器型電磁開關式與電力電子開關型固態開關式兩種。這種穩壓技術也分為直接抽頭分級變比調壓式與連續無級補償調壓式。對上述各類穩壓技術原理分析可知：繼電器開關直接抽頭分級變化比補償調壓式成本為低、結構亦較合理。

圖1為其電原理圖。該電路的突出優點是：價格最低、效率最高、體積最小、重量最輕；此外還具有輸入范圍寬、波形失真小、電路簡單、可靠等優點。缺點是：輸出穩壓精度差、調壓時會發生電壓階躍跳變而產生電磁干擾；此外繼電器觸點在接通或分斷變壓器抽頭線圈時，不可避免地會發生觸點抖動、回跳，從而產生電弧、瞬間斷電等電磁干擾和不安全因素；更重要的是繼電器的觸點容量是以電阻性負載定義的，用于鐵磁變壓器、電感性負載時要降額使用，一般小于額定值的1/3。因此，這種穩壓技術只能用在普通要求不高的小功率交流穩壓器上。市面上的“寬限型交流穩壓器”就與之類似。小功率UPS也常用此技術做輸入電壓調整器。

圖1抽頭分級變比調壓式電路圖

采用固態開關固然可以解決上述缺陷，但也帶來成本顯著提高、散熱器體積增大、電路復雜、可靠性不會太高等難以解決的弊病。

除了上述兩種不同類型的控制開關外，還有第三種控制開關。就是在電磁開關基礎上，利用電力電子開關器件作為無觸點開關與電磁開關的觸點并聯，電子開關的控制電路與電磁開關的勵磁線圈并聯，由電子開關解決開關的動態過程，電磁開關則承擔穩態開關過程，構成二者優勢互補的混和型互補式開關。顯然，從系統分析來看，對于應用面更廣的電磁開關來說，這種以優勢互補而非折衷，也非取代的技術補償方法可能是一種較佳的很有意義的解決電磁開關缺陷的方案。為此，國內早在70年代末就開展了這方面的研發工作，對這種混合型互補式開關進行的實驗，證明了可取得成本低、省材料、無弧通斷、提高電氣壽命等良好效果。然而，實際情況不容樂觀。混合型開關，一方面擁有固態開關與電磁開關的優點，另一方面也繼承了兩者的固有屬性。以成本為例，它不得不包含兩者的主要成本，這樣要使之在價格上與電磁開關競爭很困難。近年來，國內外有關此類混合型開關的技術報道、文獻及專利公告為數不少，但是能實用轉化為商品的則幾乎沒有。我們認為其中最主要的原因是由于電磁開關觸點的吸動和釋放動態過程是在電磁力與機械彈力、吸力與斥力共同作用下進行的，是一個在時間上不可控的狀態函數。因此要滿足混合型開關中兩類不同開關在時序控制上的自適應互補工作要求，就得外加一些時序控制手段，如加接輔助開關或繼電器，或要占用接觸器上的輔助開關，或要附加工頻電流互感器或光電耦合器對狀態采樣等；或者附加一些不合理的要求，諸如對電磁開關結構更改、接線方式更改等；此外在工頻下附加的電子開關電路有較大體積等缺陷，造成不好用、成本偏高或產生新的可靠性問題，因而很多混合型開關技術或多或少在體積重量、成本費用、使用要求、可靠性等方面存在嚴重缺陷。這是一類有代表性的現實問題，即有優勢的技術方案如何實現商品化問題。

圖2 電子開關電路原事框圖

2互補型開關分調式交流穩壓技術

本文提出一種新方法，這種新方法的最主要技術特征在于將工頻電工技術問題放在高頻段處理，毫秒級的電磁開關的不可控開關動態問題放在微秒級的高頻電路中解決。這是以電子化手段把電磁開關的觸點接通或分斷的過渡時間分解為高頻時間變量，再加入自適應控制方法使之完全可控而得以解決。這樣，不但電磁開關的過渡過程能被高頻電子開關互補控制，而且電子開關的工作時間可被控制在最短，由此解決了上述互補使用上的缺陷。電子產品的價格日益下降，為這項新技術推廣應用提供了必要的物質基礎。所用的高頻電力電子技術不但能在解決電磁開關缺陷的同時保證高可靠性、低附加成本以及滿足與原有的使用條件完全一致等實際應用要求，而且還能使附加的互補開關組件微型化與輕量化。由于低壓小功率電子元器件體積小而且價廉，因此互補式開關組件的成本主要依賴于電力電子開關器件；而采用低成本觸點狀態實時檢測新技術，電子開關的導通時間得到有效的控制，使電子開關的開關容量減少了一半，可以基本上不用散熱器，顯著地降低了成本，且高頻變換器體積小、功耗低。這兩項新技術用于互補式組件，解決了混合型技術成本高、體積大的難題。此外，由于電子開關的自適應互補，電磁開關的操作頻次可以顯著提高。從理論上來說，只要電子開關有足夠大的散熱器，則操作頻次僅受電磁開關的吸合時間與釋放時間兩個過渡過程時間之和的限制，這樣操作時間可以從秒數量級提高到數十毫秒級，這對于需要頻繁操作的特殊應用領域，很有意義。由于新技術針對電磁開關不同工作條件與不同負載采用具有自我防護的工作方式，因此保證了電子開關的安全工作與可靠性，使混合型開關的失效率有可能低于電磁開關。由于高壓半導體器件的價格仍較高，因此混合型開關只能局限于低壓電路，宜作為單極（即SPST－NO、SPST－NC）控制開關電器使用，這點正適合作為以市電為對象的分調開關調壓電路使用。

按此原理，我們研制開發成功一種高頻電力電子互補式開關新技術。以此新方法研發的新型混合式開關（其核心高頻電力電子互補式開關組件的電原理框圖見圖2，該組件簡稱CS）含兩大新技術。其一是采用廉價的高頻直流變換器與場控型電力電子開關器件作為CS的核心電路。高頻直流變換器為成本最低的經改進的FLYBACK型變換器。場控型電力電子開關器件，如功率場效應管（MOSFET）驅動功率最小，保證了組件的微型化。高頻開關變換器為電力電子開關器件提供可控的驅動電壓源，開關變換器工作頻率超過20kHz，即可控制的脈寬低于50μs；此外它具有工作效率高、體積小、重量輕、強弱電間電氣隔離良好（使用高頻變壓器）、能適應接觸器或繼電器線圈工作電壓不同條件且能加入穩壓功能，保證電力電子開關器件有最合適的驅動信號。其二是電磁開關觸點狀態低成本實時采樣新電路，該電路特點是不需外接電流互感器、光耦合器等零部件，在高頻變壓器上就可以實現對觸點狀態的實時快速采樣。觸點狀態的實時快速檢測就為控制電力電子開關的最佳互補工作創造了條件。這意味著在滿足互補工作要求下，可以使電子開關的工作時間最短。控制電路由電子電路構成，它對電磁開關的激磁線圈電壓及觸點狀態檢測，自適應地確定電子開關的導通時間長短及電路接通或關斷的時序關系，使得僅在電磁開關吸合接通或釋放斷開過渡期間才讓電子開關導通，以保證電力電子開關器件有較短的導通時間，其余時間則處于待機節電狀態。這一方面降低了電力電子開關損耗和該組件的功耗，提高了工作可靠性；另一方面降低了對電力電子開關器件功率容量與電流容量（I2t）的要求，這不但提高了器件的可靠性，而且也是降低成本之關鍵。電力電子開關的開關容量與I2t直接相關。對于以20ms定義開關容量的電力電子開關器件，當導通時間設定為4ms時，其耐浪涌電流能力將提高一倍以上。這意味著可以使用低一個檔級的功率器件，而且可以不用或只用小容量的散熱器。這是新型互補技術的獨特優勢，亦是該新技術有別于其它混合型互補式技術的一大特色；正是此特性才能使之有別于固態開關，從而確定了其應用領域。由于采用電子技術與高頻電力電子技術使得組件功耗極小，工作電流亦很小，使得在勵磁電壓斷開時為供給電力電子開關電能而要預先儲能的問題易于解決，CS全部由電子元器件構成，除電力電子開關器件和極少數元件外，其它元器件均為小功率且在較低直流電壓下工作，這就為CS組件的集成化奠定了基礎，集成化將使該組件成本更低、體積更小。因此，高頻處理方式具備了實現互補式技術商品化的條件。表1為電子開關基本工作模式表，表2為三種工作模式下電子開關的控制信號要求，圖3為電力電子開關器件的電路圖，圖4為其開關狀態圖。

3實驗結果圖2電子開關電路原理框圖

以表1的控制方式，對CS組件進行嚴酷條件下

表1電子開關基本工作模式表

表2三種工作模式下電子開關的控制信號要求

表2中H表示UV為高電平時開關斷開。

圖3電力電子開關器件的電路圖

(a)作為直流開關使用時（b）作為交流開關使用時

圖4電子開關三種工作模式及其開關狀態示意圖

（a）電磁開關為常開觸點NO時
（b）電磁開關為常閉觸點NC時

圖中UC為控制電壓，Uk為電磁開關觸點上的電壓，UV1、UV2、UV3為與電磁開關互補工作三種模式中的電子開關上的電壓。

的實驗。實驗電路如圖5所示。圖中Ue為幅度等于12V的矩形波發生器，用于對電磁開關的勵磁供電和控制；K為JQX15F繼電器，其參數為：勵磁電壓為12V，觸點負載為220VAC（或28VDC），30A，阻性。電力電子開關器件為IRF840，其參數為：U(BR)DS=500V，IDM=8A，RDS（ON）=0.85Ω。T為TDGC－5型5kW調壓器，RL為滑線電阻器，Ri為0.1Ω電阻，用于電流采樣，IS=URi/Ri。以電磁開關的兩類嚴酷工作條件為實驗條件分別進行如下實驗：

（1）直流感性負載通斷實驗：設置UO=30VDC。

①只用繼電器進行試驗，調整RL，負載電流為6A時，此時繼電器觸點電壓、電流波形見圖6，觸點發生明亮的電弧，觸點斷開時的電壓尖峰超過1kV。

②將CS組件按圖3（b）控制方式與繼電器互補使用，調整RL，負載電流約為16A，為電子開關電流IDM的兩倍，并使勵磁電壓的頻率提高一倍，此時繼電器觸點電壓、電流波形見圖7，觸點沒有發出火星（打開繼電器外殼觀察），從圖可明顯看到電子開關在通斷過渡過程中的作用（波形中存在一個臺階）。

（2）接通浪涌沖擊負載實驗，設置UO=220VAC。

①只用繼電器進行試驗，由于負載為鐵磁可飽和變壓器，繼電器觸點電壓、電流波形見圖8，觸點發生火花，浪涌電流達52A。

②將CS組件以圖1交流開關方式接線，按圖

圖5實驗電路圖

圖6電磁繼電器的直流感性負載通斷試驗波形圖

圖7混合型開關的直流感性負載通斷試驗波形圖

圖8電磁繼電器的接通浪涌沖擊負載試驗波形圖

圖9混合型開關的接通浪涌沖擊負載試驗波形圖

3接入實驗電路，以本文所述控制方式與繼電器互補使用，在電子開關上串聯一個小阻值電阻（R=3Ω），此時繼電器觸點電壓、電流波形見圖9，觸點不產生火花，圖中可明顯看出由于電子限流作用，變壓器不致進入深飽和，接通電流減小一半，大大降低了接通涌流。

此外，對CS組件的輸入電流測量得到：工作時為13mA，待機時為5mA.

4結語

應用高頻互補技術，提高了電磁開關的性能，拓寬了電磁開關的應用場所，縮小了與固態開關的性能差異。由于該混合型開關的價格遠低于固態開關，將此技術用于繼電器開關連接抽頭分級變比調壓式交流穩壓器，就可實現高性價比。因此本項新技術具有很好的應用前景。