高頻斬波穩壓器介紹
斬波穩壓器(穩壓電源)是目前最適合進口設備和高精端設備、科研院所、國防、 工業設備及大型計算機站等場合,如今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。
圖1 三相高頻斬波交流調壓主電路圖
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。
圖2 供能模式
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3 旁路模式
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。
圖4 續流模式
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。
圖5 死區等效電路
(a)等效電路(b)等效模型
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