關(guān)昊，毛書凡，陳壯，韓旭

（1.天津理工大學電子信息工程學院，天津300384；2.天津理工大學工程訓練中心，天津300384；3.天津理工大學理學院，天津300384）

在用電高峰期，很多地方存在電網(wǎng)電壓跌落嚴重的現(xiàn)象，但在用電低谷期，電網(wǎng)電壓又上升太高；一些邊遠地區(qū)，電網(wǎng)電壓長期偏低；一些負荷變化較快的地區(qū)，電網(wǎng)電壓波動嚴重［1］。這些現(xiàn)象都很容易給用電設(shè)備帶來不可預料的損害，甚至可能造成很大的經(jīng)濟損失。在一些特殊的工作環(huán)境中，需要非常穩(wěn)定的工作電壓［2］。而當前幾種穩(wěn)壓電源，自耦變壓器通過控制電路切換抽頭控制輸出電壓，具有結(jié)構(gòu)簡單、成本低的優(yōu)點，但存在穩(wěn)壓精度低的缺點。逆變器型穩(wěn)壓電源雖然輸出交流電壓質(zhì)量高，但存在電路復雜，成本高，維修和使用不便等缺點，只有在特殊場合才使用。穩(wěn)壓精度較高的穩(wěn)壓器采用磁飽和依靠LC諧振，具有穩(wěn)壓精度高，響應快的優(yōu)點但存在體積和重量大、效率低的缺點［3］。本文介紹一種新型的穩(wěn)壓電源。該穩(wěn)壓電源采用無變壓器結(jié)構(gòu)，利用自關(guān)斷器件對交流電進行整流變換的方法，實現(xiàn)穩(wěn)壓精度高和輸出波形好的目標。

1 電路設(shè)計基礎(chǔ)

1.1 電容穩(wěn)壓

電容穩(wěn)壓電路利用電容的充放電作用，使輸出電壓趨于平滑，理想情況下的波形如圖1 所示。電容濾波電路輸出電壓平均值的分析如圖2所示，為了獲得較好的濾波效果，在實際電路中，應選擇濾波電容的容量滿足：RLC＝（3～5）T/2 的條件。由于解電容，考慮到電網(wǎng)電壓的波動范圍為±10%，電容的耐壓值應大于在半波整流電路為獲得較好的濾波效果，電容容量應選得更大些［4］。當電源電壓高于負載（電容）端電壓保持不變；當電源電壓低于負載（電容）兩端電壓時，電容向負載放電；然而使負載兩端電壓保持不隨電源電壓變化而變化。

圖1 理想情況下的波形Fig.1 Ideally the waveform

圖2 電容濾波電路輸出電壓平均值的分析Fig.2 Analysis about capacitor filter circuit average value of the output voltage

1.2 PWM脈寬調(diào)制器的應用電路

PWM 稱之為脈沖寬度調(diào)制信號，利用脈沖的寬度來控制自關(guān)斷器件的開關(guān)狀態(tài)。PWM脈沖寬度調(diào)制信號的基本頻率至少400 Hz～10 kHz，調(diào)整自關(guān)斷器件的開關(guān)狀態(tài)時，這個基本的頻率不可變動，而是改變這個頻率上方波的寬度，寬度越寬則導通時間越長、寬度越窄則導通時間越短［5］。故PWM 脈寬調(diào)制電路是控制自關(guān)器件的開關(guān)時間。要使電源穩(wěn)壓范圍寬（即輸入電壓范圍大），可利用555 定時器構(gòu)成寬范圍PWM。僅需把1 個二極管和電位器添加到異步模式運轉(zhuǎn)的555 定時器上，就產(chǎn)生了1 個帶有可調(diào)效率系數(shù)為1%到99%的脈寬調(diào)制器，見圖3。

圖3 脈寬調(diào)制器Fig.3 Pulse width modulator

1.3 交流穩(wěn)壓電路工作原理

該交流穩(wěn)壓電路的原理是將交流電分別經(jīng)2只二極管整流，與公共地組成正半周期和負半周期2 路直流電，對其整流濾波。利用自關(guān)斷器件的可關(guān)斷特性，由2 只反向并聯(lián)二極管和自關(guān)斷器件組成變換電路，分別控制2 路整流后的正負直流電的開關(guān)工作，在各自半周期內(nèi)采用5～100 kHz 頻率進行PWM 脈寬調(diào)制，經(jīng)LC 濾波后，形成接近正弦波輸出的交流電。經(jīng)輸出端的交流電壓正負半波檢測電路對PWM脈寬調(diào)制電路進行自動控制，達到自動穩(wěn)壓的目的。

2 電路結(jié)構(gòu)組成

穩(wěn)壓電源的主電路原理圖如圖4所示。穩(wěn)壓電源工作流程如圖5所示。

圖4 穩(wěn)壓電源的主電路原理圖Fig.4 Main circuit diagram of voltage stabilized power

圖5 穩(wěn)壓電源原理框架圖Fig.5 The principle block diagram of AC voltage stabilized power

圖4由輸入端子L 與公共地N，整流濾波電路1，變換電路2，交流電壓正負半波檢測電路3，控制電源電路4，隔離驅(qū)動電路5，正弦波電路6，脈寬調(diào)制電路7，驅(qū)動電路8和輸出端子Lm組成。

3 電路分析

3.1 工作流程分析

結(jié)合圖4 所示的電路圖，對其工作原理加以描述：市電為波動的AC 220 V/50 Hz 交流電接入輸入端子L 與公共地N，當工作時電流分為兩部分：一部分電流經(jīng)濾波電感L1和電容器C1組成交流濾波電路，整流二極管D1整流后，經(jīng)由電感L2、電容器C2和C3直流濾波后為正電源支路；整流二極管D3整流后，經(jīng)由電感L3、電容器C5和C6直流濾波后為負電源支路；另一部分電流經(jīng)采樣送至控制電源電路進行處理，正弦波電路內(nèi)的控制電源電路由控制變壓器B 的初級一端連接到電源輸入端子L，另一端與公共地N 端相連，經(jīng)變壓器的2 個次級繞組，分別向控制電源電路內(nèi)的整流穩(wěn)壓電路E1和E2提供電源，控制電源電路內(nèi)的整流穩(wěn)壓電路E1向隔離驅(qū)動電路提供穩(wěn)定的直流工作電源。E2向正弦波電路，PWM 脈寬調(diào)制電路和驅(qū)動電路提供穩(wěn)定的直流工作電源，從輸入端提取的采樣電壓依次用正弦波電路PWM 脈寬調(diào)制電路處理，將處理后的信號送到驅(qū)動電路和隔離驅(qū)動電路中，用于控制開關(guān)管T1和T2的通斷。

3.2 穩(wěn)壓原理分析

當輸入市電電壓在220 V 附近波動時，由采樣變壓器得到的同步交流電壓通過c，d輸入到正弦波電路進行處理后，由g 端給脈寬調(diào)制電路調(diào)制正弦波電壓，由e 端輸出正半周同步方波，由f端輸出負半周同步方波。脈寬調(diào)制電路內(nèi)的正半周正弦波形電壓與交流電壓正負半波檢測電路內(nèi)經(jīng)發(fā)光二極管G1耦合至光電接收管G11的輸出端波形進行比較，得到不同寬度的脈沖串信號，經(jīng)驅(qū)動電路驅(qū)動T1控制在50 Hz 的正半周期內(nèi)的開關(guān)，通過電感L4和電容C4將T1變換成的脈沖波形濾波成較為平緩的正半周正弦波電壓輸出，圖6是在場效應管柵極所測，為自關(guān)斷器件T1的控制波形。脈寬調(diào)制電路內(nèi)的負半周正弦波形電壓與交流電壓正負半波檢測電路內(nèi)經(jīng)發(fā)光二極管G2耦合至光電接收管G21的輸出端Lm電壓波形進行比較，得到不同寬度的脈沖串信號，經(jīng)隔離驅(qū)動電路控制T2在50 Hz 的負半周期內(nèi)開關(guān)，通過電感L4和電容C4將T2變換成的脈沖波形濾波成較為平緩的負半周正弦波電壓輸出。圖7是在場效應管柵極所測，為自關(guān)斷器件T2的控制波形。正負半周開關(guān)管T1，T2輪流工作，實現(xiàn)由直流到交流的轉(zhuǎn)換，當市電高于電源電壓時電路輸出為正弦波，當市電低于輸出電壓時電路輸出為圓滑過渡的二次曲線波形。圖8 為輸出端Lm與公共端N的輸出電壓波形。

圖6 正半周脈寬調(diào)制波形Fig.6 Positive half-cycle pulse width modulation waveform

圖7 負半周脈寬調(diào)制波形Fig.7 Negative half-cycle pulse width modulation waveform

圖8 降壓帶載穩(wěn)壓輸出波形Fig.8 Buck stabilized voltage output waveform with load

穩(wěn)壓的具體過程如下。

在交流電的0～π/2 周期，利用自關(guān)斷器件T1控制對充放電電容器組C2，C3進行PWM 脈沖式充電，通過電感L4和電容C4將T1變換成的脈沖波形濾波成較為平緩的正半周正弦波電壓輸出。

在交流電的π/2～π周期，利用半導體二極管對充放電電容器組C2，C3進行PWM脈沖式放電，通過電感L4和電容C4將T1變換成的脈沖波形濾波成較為平緩的正半周正弦波電壓輸出。

在交流電的π～3π/2周期，利用半導體二極管對充放電電容器組C5，C6進行充電，通過電感L4和電容C4將T2變換成的脈沖波形濾波成較為平緩的負半周正弦波電壓輸出。

在交流電的3π/2～2π周期，利用自關(guān)斷器件T2控制充放電電容器組C5，C6進行PWM 脈沖式放電，通過電感L4和電容C4將T2變換成的脈沖波形濾波成較為平緩的負半周正弦波電壓輸出。

3.3 電路組成原理及特點分析

二極管D2將T1關(guān)斷的瞬間存儲在電感L4的能量釋放到電容器C3，并起到保護T1避免承受反向電壓。二極管D4將T2關(guān)斷的瞬間存儲在電感L4的能量釋放到電容器C6，并起到保護T2避免承受反向電壓。電源電路E1，E2相互獨立，分別為隔離驅(qū)動電路和驅(qū)動電路供電，避免“共地”造成短路現(xiàn)象。

該穩(wěn)壓電源與現(xiàn)有技術(shù)的不同點：將交流電經(jīng)2 只二極管整流后的正負電壓分開，作為變換電路的正和負支路電源使變換電路得到簡化，不用電源變壓器進行AC/DC/AC的變換；由于采用單只二極管進行整流，克服了現(xiàn)有的橋式整流時電流需要經(jīng)過2 只二極管產(chǎn)生的管壓降的缺點，提高了效率；利用自關(guān)斷器件的可關(guān)斷性，采用2只自關(guān)斷器件分別在正負半周期進行PWM式脈寬調(diào)制式，相比于常規(guī)使用4 只器件得橋式逆變電路，降低了損耗；采用高頻PWM脈寬調(diào)制使輸出波形更接近正弦波，進而縮小了輸出濾波電容器C4和濾波電感L4的體積；變換電路的無變壓器變換，極大地提高了電源效率并且縮小整體體積；交流電壓正負半波檢測電路采用2 個發(fā)光二極管G1和G2分別與G11和G12耦合，分別將正負半周期輸出電壓波形及時準確地傳給脈寬調(diào)制電路內(nèi)的PWM 控制器與標準正弦波進行比較，提高了輸出正弦波的質(zhì)量。

4 實驗結(jié)果

根據(jù)上述設(shè)計思路完成對實物的制作，實驗在模擬實驗臺上進行，使用調(diào)壓器模擬電網(wǎng)波動，用500 W 變壓器接滑動變阻器，通過調(diào)節(jié)滑動變阻器模擬負載變化。電流范圍為0.5～1.8 A。為了提高數(shù)據(jù)精度，該實驗所有數(shù)據(jù)和圖片均由鼎陽（Siglent）ADS1022C 數(shù)字存儲示波器獲得。通過實驗測定，該交流穩(wěn)壓電源各功能（過電壓、過流、正常）監(jiān)測均正常，模擬電網(wǎng)電壓的波動時，測出經(jīng)穩(wěn)壓后提供給負載的電壓值，測試結(jié)果如圖9～圖12所示。

圖9 測量電壓-帶載Fig.9 Voltage with a load

圖10 數(shù)據(jù)-帶載Fig.10 Load data

圖11 測量電壓-空載Fig.11 No-load voltage measurements

圖12 數(shù)據(jù)-空載Fig.12 Data with No-load case

5 結(jié)論

用該方法制成的穩(wěn)壓電源可以根據(jù)輸入電壓動態(tài)調(diào)節(jié)輸出電壓，具有較高的輸出電壓穩(wěn)定度。采用無變壓器進行直流到交流的變換，簡化了變換電路并且節(jié)省了變壓器，從而克服了磁飽型和逆變器型的缺點。相比于現(xiàn)有的有變壓器交流穩(wěn)壓電源，該交流穩(wěn)壓電源具有輸入電壓范圍大、輸出交流電壓波形好的優(yōu)點，適合在一定范圍內(nèi)的單相用戶使用，尤其適用于對電源精度要求較高的用電設(shè)備。

［1］Robert J Barker，Edl Schamiloglu.高功率微波源與技術(shù)［M］.劉國治，周傳明，譯.北京：清華大學出版社，2005.

［2］趙曉紅，邱瑞昌，韓嘯一，等.基于雙PWM 補償型單相交流穩(wěn)壓電源的設(shè)計［J］.信息技術(shù)，2013，26（11）：185-189.

［3］李香龍，毛書凡.半導體無極性電解電容器：中國，200920096104［P］.2010-05-12．

［4］童詩白，華成英.模擬電子技術(shù)基礎(chǔ).［M］北京：高等教育出版社，2006：522-526.

［5］毛書凡，李香龍，謝寧.交流動態(tài)有源功率因數(shù)補償方法及補償電路：中國，ZL 201010125540.4［P］.2010-03-17.