高頻斬波穩(wěn)壓器介紹
斬波穩(wěn)壓器(穩(wěn)壓電源)是目前最適合進(jìn)口設(shè)備和高精端設(shè)備、科研院所、國(guó)防、 工業(yè)設(shè)備及大型計(jì)算機(jī)站等場(chǎng)合,如今大量應(yīng)用大功率交流穩(wěn)壓電源。在各種交流穩(wěn)壓設(shè)備中,多采用電壓補(bǔ)償原理來(lái)穩(wěn)定輸出電壓,如:大功率接觸補(bǔ)償型交流穩(wěn)壓電源,無(wú)觸點(diǎn)感應(yīng)補(bǔ)償型及開(kāi)關(guān)補(bǔ)償型交流穩(wěn)壓電源等。在這些設(shè)備中,補(bǔ)償電路多在基頻(50Hz)下工作,所以設(shè)備體積重量大,轉(zhuǎn)換效率低,限制了它們?cè)诖蠊β蕡?chǎng)合下的應(yīng)用。
文獻(xiàn)[1][2]等提出了一些高頻補(bǔ)償式電路,但由于使用的元器件較多,電路結(jié)構(gòu)復(fù)雜,成本高,難以在實(shí)用中得到推廣和實(shí)用。
文獻(xiàn)[3]提出了一種三相高頻PWMAC鏈調(diào)節(jié)器。由于該電路使用開(kāi)關(guān)器件少,控制簡(jiǎn)單,補(bǔ)償電路電感性元件為高頻元件,數(shù)目少,是一種極有開(kāi)發(fā)應(yīng)用價(jià)值的變換電路。本文主要介紹該電路的工作原理,主要參數(shù)設(shè)計(jì)和仿真波形及實(shí)驗(yàn)結(jié)果。
2 電路結(jié)構(gòu)及工作原理
此三相高頻斬波交流調(diào)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(diào)壓主電路圖
開(kāi)關(guān)S1,S2,S3用于交流斬波,開(kāi)關(guān)S4用來(lái)在開(kāi)關(guān)S1,S2,S3關(guān)斷時(shí)為負(fù)載續(xù)流。S1,S2,S3和S4互補(bǔ)導(dǎo)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(fù)載。
為了防止S1,S2,S3和S4同時(shí)導(dǎo)通,在它們互補(bǔ)導(dǎo)通轉(zhuǎn)換時(shí)設(shè)置了死區(qū)。在死區(qū)時(shí)段由電容CP為負(fù)載電流提供旁路,電阻RP在死區(qū)過(guò)后供電容CP放電。變壓器用于給負(fù)載提供合適的電壓并隔離負(fù)載和主電路。
此電路正常工作時(shí),有以下幾個(gè)工作模式:
2.1 供能模式
工作在此模式,開(kāi)關(guān)S1,S2,S3導(dǎo)通,S4關(guān)斷,輸入電壓加在負(fù)載上。如圖2所示,假設(shè)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(kāi)關(guān)S1,S2,S3,S4都關(guān)斷。負(fù)載電流通過(guò)旁路電容CP和三相整流橋中的二極管以及開(kāi)關(guān)管的并聯(lián)二極管保持連續(xù)。如圖3所示。在此期間會(huì)有一部分能量存儲(chǔ)在旁路電容CP中,此能量在死區(qū)結(jié)束后通過(guò)電阻RP泄放。
圖3 旁路模式
2.3 續(xù)流模式
工作在此模式,開(kāi)關(guān)S1,S2,S3關(guān)斷,S4導(dǎo)通,L1,L2,L3釋放能量使負(fù)載電流通過(guò)S4保持連續(xù)。如圖4所示。
圖4 續(xù)流模式
3 主要參數(shù)設(shè)計(jì)
供電通路主要工作在雙向Buck狀態(tài),故圖1中a(或b、c)點(diǎn)電壓通過(guò)傅立葉級(jí)數(shù)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(kāi)關(guān)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(kāi)關(guān)頻率足夠高,濾波電感L可以很小,因此,功率電路的設(shè)計(jì)主要是旁路電容及電阻的設(shè)計(jì)。
由前所述,旁路電容的作用主要是在“死區(qū)”期間,連續(xù)負(fù)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(shí)間很短(2μs~3μs),可以將電源電壓與負(fù)載電流看作恒定值,其等效模型如圖5(b)所示。
圖5 死區(qū)等效電路
(a)等效電路(b)等效模型
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