新穎的Buck型正弦交流穩(wěn)壓器

0 引言
由于我國交流電網(wǎng)的電壓波動較大，特別是邊遠農(nóng)村地區(qū)，交流穩(wěn)壓電源已成為許多電子設備不可缺少的供電裝置。按照工作原理，交流穩(wěn)壓電源可分為參數(shù)調(diào)整(諧振)型、自耦(變比)調(diào)整型、大功率補償型和開關型等4種類型。本文介紹的Buck型正弦交流穩(wěn)壓器,與傳統(tǒng)的上述4種類型相比，則具有負載適應能力強、穩(wěn)壓性能好及輸出波形質(zhì)量高等優(yōu)點。

1 交流穩(wěn)壓器的典型電路
參數(shù)調(diào)整(諧振)型交流穩(wěn)壓電源，其工作原理如圖l(a)所示，是利用電路非線性元器件對電路中的電壓和電流進行凋整，從而實現(xiàn)輸出電壓的穩(wěn)定。該類交流穩(wěn)壓電源具有電路簡單、穩(wěn)定精度高、抗干擾性強和輸入電壓范圍寬等優(yōu)點，但存在輸出波形THD高、電路元器件對工作頻率非常敏感，輸入功率因數(shù)很低，輸出容量難以做大，無電氣隔離等缺陷。

自耦(變比)調(diào)整型交流穩(wěn)壓器，其工作原理如圖1(b)所示，是以自耦變壓(調(diào)壓)器為基礎實現(xiàn)穩(wěn)壓功能的。該類交流穩(wěn)壓器具有電路簡單，輸入電壓范圍寬等優(yōu)點，但存在輸出波形THD高，穩(wěn)壓精度較低，體積重量大等缺陷。
大功率補償型交流穩(wěn)壓電源，其工作原理如圖1(c)所示，是把線性變壓器串聯(lián)在輸入端和輸出端的主電路中，控制該變壓器初級電壓的大小和極性，利用其次級電壓對輸入電壓進行補償，從而實現(xiàn)輸出電壓的穩(wěn)定。該類交流穩(wěn)壓器具有輸出容量大，對電網(wǎng)適應能力好，效率高等優(yōu)點，但存在輸出波形THD高，輸出與輸入無電氣隔離，動態(tài)性能差等缺陷。
開關型交流穩(wěn)壓電源，其工作原理如圖l(d)所示，將輸入電網(wǎng)電壓整流后得到脈動直流電壓，然后通過高頻PWM技術逆變?yōu)榻涣麟妷海俳?jīng)過相位跟蹤和轉(zhuǎn)換電路后獲得與輸入側(cè)同頻同相的補償電壓，加在輸入與輸出之間，從而實現(xiàn)輸出電壓的穩(wěn)定。開關型交流穩(wěn)壓電源，具有穩(wěn)壓性能好，控制功能強，電路偏復雜，價格較高等特點。

2 新穎的Buck型正弦交流穩(wěn)壓器的電路拓撲
新穎的Buck型正弦交流穩(wěn)壓器的電路結構，由輸入周波變換器、高頻變壓器、輸出周波變換器以及輸入、輸出濾波器構成，能夠?qū)⒁环N不穩(wěn)定的劣質(zhì)交流電變換成另一種同頻穩(wěn)定的優(yōu)質(zhì)正弦交流電，具有高頻電氣隔離，電路拓撲簡潔，兩級功率變換(LFAC／HFAC／LFAC)，雙向功率流，網(wǎng)側(cè)功率因數(shù)高，功率密度高，變換效率高，負載適應能力強，音頻噪音低，可靠性高等優(yōu)點。其半橋全波式電路拓撲，如圖2所示。該電路由輸入、輸出周波變換器，4個四象限功率開關(能夠承受雙向電壓應力和雙向電流應力)S1～S4構成。

當電網(wǎng)向負載傳遞功率時，輸入周波變換器將經(jīng)LC輸入濾波器后的低頻交流電壓調(diào)制成高頻交流脈沖電壓，經(jīng)高頻變樂器T隔離、傳輸后，輸出周波變換器將其解凋成低頻交流脈沖電壓uAB，經(jīng)輸出濾波器后得到優(yōu)質(zhì)的恒壓恒頻交流電；當負載向電網(wǎng)回饋能量時，輸出周波變換器將輸出低頻交流電壓調(diào)制成高頻交流脈沖電流，經(jīng)高頻變壓器T隔離、傳輸后，輸入周波變換器將其解調(diào)成低頻交流脈沖電流，經(jīng)輸入濾波器后回饋到電網(wǎng)。

3 控制方案
新穎的Buck型正弦交流穩(wěn)壓器，可采用單極性移相控制方案，其原理波形如圖3所示。單極性移相控制，是指輸入周波變換器右橋臂相對左橋臂的移相θ，并且輸出濾波器的前端電壓為單極性PWM波。通過調(diào)節(jié)移相角θ(0≤θ≤180)，可實現(xiàn)輸入電網(wǎng)電壓、負載變化時輸出電壓的穩(wěn)定與調(diào)節(jié)。

4 工程樣機
設計實例：全橋型式電路拓撲，單極性移相控制策略，額定容量P=1kVA，輸入電壓(交流50Hz)Ui=220(110％)V，輸出電壓Uo=110V／50Hz，開關頻率fS=40kHz，最大占空比Dmax=0．8，變壓器原、副邊繞組匝比N1/N2=20／18，輸入濾波電感，L=10μH，輸入濾波電容C=10μF，輸出濾波電感L=0．6mH，輸出濾波電容Cf=10μF，功率開關均選用快速IGBTHGTG20N60A4D(20A／600V)。
Buck型正弦交流穩(wěn)壓器工程樣機的試驗波形，如圖4及圖5所示。試驗結果表明：

(1)變壓器繞組電壓為雙極性、三態(tài)的高頻交流電壓波；
(2)輸出周波變換器實現(xiàn)了零電壓ZVS開關；
(3)輸出濾波器前端電壓為單極性PWM波，頻譜特性好；
(4)輸出波形質(zhì)量高；
(5)穩(wěn)壓性能好。
試驗結果與理論分析一致。

5 結語
新穎的Buck型正弦交流穩(wěn)壓器的電路結構，由輸入周波變換器、高頻變壓器、輸出周波變換器以及輸入、輸出濾波器構成，能夠?qū)⒁环N不穩(wěn)定的劣質(zhì)交流電變換成另一種同頻穩(wěn)定的優(yōu)質(zhì)正弦交流電，具有高頻電氣隔離、電路拓撲簡潔、兩級功率變換(LFAC／HFAC／LFAC)、雙向功率流、網(wǎng)側(cè)功率因數(shù)高、功率密度高、變換效率高、音頻噪音低、可靠性高等優(yōu)點。采用單極性移相控制方案，Buck型正弦交流穩(wěn)壓器具有強的負載適應能力，優(yōu)良的穩(wěn)壓性能和高質(zhì)量的輸出正弦波形等優(yōu)點。工程樣機試驗結果與理論分析一致。