某機載三相交流穩壓電源的研制??

摘要：介紹了某機載三相交流穩壓電源的研制情況。對電源電路進行了分析、計算和計算機仿真。應用高頻脈寬調制斬波調感技術，以MOS場效應管取代了傳統的雙向晶閘管，用脈寬調制取代了相控技術。通過對電路的優化設計，降低了輸入諧波電流。

關鍵詞：諧振；交流穩壓；計算機仿真

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

??? 本文介紹的機載交流穩壓電源的主要功能是為航空電子系統中的眾多傳感器提供交流激磁信號，要求性能穩定、小型輕量、高效率、高可靠性。大約在上世紀70年代，國外先進的作戰飛機上使用的交流穩壓電源，采用了變壓器補償式穩壓技術，其原理是用多個補償變壓器組合，通過控制電路，切換補償變壓器進行補償，補償是有級的。而且所需的補償變壓器和切換開關較多，電路較復雜，補償精度低。由于使用的中頻補償變壓器較多，交流穩壓電源的體積、重量大。

??? 近幾年來，國內關于交流穩壓電源的研究較為活躍，其研究的主要內容一種是線性諧振型技術及其改進;另一種是開關型交流穩壓電源。線性諧振型（也稱正弦能量分配器），它是通過LC諧振參量的改變使交流輸出電壓得到調整，以連續可調式獲得優越的穩壓性能。主電路中不含電力半導體器件，線路簡單、可靠性高。但是由于存在輸入電壓范圍不夠寬，源端空載無功電流和諧波電流較大，以及容易發生振蕩等缺點，使其發展和應用受到了限制，特別是在大功率場合的應用比較少。開關型交流穩壓電源采用了先進的高頻開關電源技術，可以減小體積、重量、節省銅鐵材料，具有效率高，響應速度快等優點。它先將交流整流成脈動的直流，再通過高頻脈寬調制（PWM）技術，將脈動的直流逆變成交流。再通過相位跟蹤與轉換電路取得與輸入側同頻同相的補償電壓，加在輸入與輸出之間，使輸出電壓穩定。這項技術成為當今交流穩壓電源技術發展的方向。但是，由于開關型交流穩壓電源控制電路較復雜，國內微電子技術及其工藝技術發展較慢，目前還不可能提供專用控制芯片，所以難于推廣。

??? 本文結合型號任務的研制，對線性諧振型交流穩壓電源進行了研究，用先進的高頻開關MOS場效應管取代傳統的雙向晶閘管，用高頻PWM取代相控技術。通過對電路的優化設計，減小了諧波電流。調試和試驗表明，該產品的控制電路簡單，波形失真度小，性能穩定，已經用于某型號任務中。

2?? 電路設計及計算機仿真

2.1?? 電路基本原理

??? 該交流穩壓電源的核心是單相36V400HzAC/AC穩壓電路。它采用的是高頻PWM斬波器調感法構成的新型交流穩壓電源電路，具有產生諧波小，抗各類電磁干擾，穩壓精度高，動態響應快等諸多優點。其電路原理如圖1所示。

圖1? 高 頻 PWM斬 波 器 式 穩 壓 原 理 圖

??? 圖1中由L1，V1～V4，C3，V等構成高頻PWM斬波電路。為減小MOS場效應管V的開關損耗，加入了由電阻，電容和二極管等元器件組成的軟開通關斷緩沖網絡（RCDNET）。

??? 圖1中的電感L1和高頻PWM斬波支路，可用一等效電感Lx來表示。Lx是PWM斬波器中功率場效應管V導通占空比的函數。經推導[3]可得：

????????????????????????? Lx=L1/D?????????? (1)

式中：D為V管的導通占空比。

??? 同理，圖1中LxC2并聯電路的阻抗Z也是D的函數:

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

式中：ω為輸入源Uin的角頻率。

??? 當輸入電壓降低或負載加重引起輸出電壓降低時，D增大，LxC2支路呈感性，支路電流在線性電感N2線圈上的壓降與Uin同相，耦合到N3線圈上的電壓UN3與Uin串聯相加后補償了輸入電壓的不足。

??? 當輸入電壓升高或負載減輕引起輸出電壓升高時，D減小，LxC2支路呈容性，支路電流在線性電感N2線圈上的壓降與Uin反相，耦合到N3線圈上的電壓UN3與Uin串聯相減后抵消了過剩的輸入電壓。

??? 由以上分析可知，通過對輸出電壓進行采樣閉環反饋控制導通占空比D的大小，自動改變N3線圈上電壓的大小和相位，可實現輸出電壓的穩定。

2．2? 電路參數選擇

??? 將L1和高頻PWM斬波器支路等效為一電感Lx后，則圖1電路為一線性電路，將其中的耦合電感L2，L3進行去耦等效，并忽略L4，C1濾波支路后，對等效電路運用基爾霍夫定律列回路方程可解得:

? =(3)

式中：Lm=Lx/(1－ω2C2Lx)。

??? 由于Uin與Uout基本同相，故忽略兩者的相位差可得：

? ||=·||(4)

式中：M=為耦合電感L2，L3的互感。

??? 根據式（4）所提供的輸入和輸出電壓之間的函數關系式，即可根據系統需求確定L1、L2、L3，從而設計出滿足性能要求的主電路。

??? 在實際的電路參數選擇中，為加快設計速度，提高設計質量，采用根據工程估算并結合仿真軟件進行優化設計的方法。

??? 根據以下原則估算L1，L2，L3等參數：

??? 1)由電感L2，L3，C2等構成正弦能量分配網絡，其自然諧振頻率應設在輸入源頻率的1.3～2倍之間[3]，以保證源頻率變化時對網絡影響較小，在本設計中由于源頻率為400Hz，故網絡諧振頻率應取為520～800Hz；

??? 2)N3/N2是決定輸入電壓范圍的主要參數，N3/N2過小時，輸入電壓的范圍不夠寬，N3/N2過大時，則導致系統的瞬態響應特性變壞，負載適應能力下降，實際的N3/N2取0.4～0.7，可獲得良好的瞬態響應性能和負載特性等指標；

??? 3)電路中由于諧波失真等指標的限制，L1不能過小。在實際的開關控制中，由于采用的是高頻PWM斬波方式，輸出的高次諧波只要用小容量的電容器C3即可消除。這樣當源頻率為400Hz時，取PWM開關頻率為80kHz，主電路中L1=20mH時C3=0.1μF即可濾掉高頻斬波器中的高次諧波；

??? 4)在主電路中，N4和C1支路具有濾波和減少電流波形失真的功能。電容C1的取值不可過大。當C1值過分增大時，電路的調節極性將逆轉，不再具有穩壓功能。

2．3? 電路計算機仿真

??? 根據上述原則估算得出一組參數值后，在輸出為AC36V400Hz50VA的條件下，運用“IsSpice4"模擬及數字混合電路仿真軟件對主電路進行仿真。仿真電路如圖2所示。

圖2? 主 電 路 的 仿 真 電 路 圖

??? 在仿真電路中，分別用電壓源V2和V1等效輸入源和PWM高頻脈沖源，輸出負載用一純電阻等效。在輸入分別為AC 29V 400Hz和AC 45V 400Hz的條件下，電路輸入和輸出的仿真波形如圖3所示。

(a)輸 入 為AC 45V 400Hz時 仿 真 波 形

(b)輸 入 為AC 29V 400Hz時 仿 真 波 形

圖3? 仿 真 輸 入 與 輸 出 電 壓 波 形

??? 由以上仿真結果可以看出，當輸入源從AC 29～45V 400Hz變化時，輸出始終穩定在AC 36V 400Hz上。

3? 結構設計

??? 結構設計主要考慮機械強度和散熱。本文介紹的三相交流穩壓電源為箱體結構，變壓器及電感安裝在箱體上以加強機械強度和散熱效果。控制電路為插件形式，提高了電路的互換性和可維護性。電氣連接通過接插件和母板連接，接口的電氣連接通過前面板航空連接器，實現機箱內外電氣連接。鎖緊裝置將插件和機箱連為一起。

4? 實驗結果

??? 由于高頻PWM斬波調感式穩壓電路具有各相電壓可以分別調整的特點，故容易制成三相平衡式交流穩壓電源。依據以上電路制成了總輸出功率為150VA 400Hz的三相交流穩壓電源。其中，開關MOS場效應管使用了宇航級器件，PWM使用了軍品883級器件，線性電感使用了環形帶氣隙的新型材料和特殊工藝。實測的三相交流穩壓電源在輸入分別為AC 29V 400Hz和AC 45V 400Hz的條件下輸入和輸出電壓波形如圖4所示。圖5給出了在額定條件下對輸 出 進 行 快 速 傅 立 葉 變 換 （FFT） 所 得 的 頻 譜 分 析 圖 。

(a)輸入為AC45V400Hz時實測波形

(b)輸入為AC29V400Hz時實測波形

圖4? 實測輸入與輸出電壓波形

圖5? 額定條件下輸出波形的頻譜分析圖

??? 由圖4可見，實測波形與仿真波形吻合的較好，驗證了仿真結果的正確性。由圖5可見，除400Hz基波外，輸出基本無諧波分量。

??? 對該三相交流穩壓電源進行測試，其主要技術指標如下：

??? ——電壓穩定度?≤1％；

??? ——負載穩定度?≤1％；

??? ——效率?≥88％（輸出滿載時）；

??? ——三相輸出電壓相位差120°；

??? ——輸出波形失真度?≤3％（設供電電壓基本無失真）。

5? 結語

??? 改進的線性諧振型交流穩壓電源的空載電流和諧波電流比傳統的晶閘管調感電源小（實際上，電源可長時間空載），輸入穩壓范圍雖然較窄，但是，完全可以滿足實際使用要求。系統穩定、可靠，在小功率應用場合有一定的推廣價值。該技術已成功地用于某機載產品的研制中。今后，還應進一步優化電路設計，降低MOS場效應管開關噪聲和開關損耗。

參考文獻

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