三相高频斩波式交流稳压装置的研究
三相高频斩波式交流稳压装置的研究
1引言
工业设备及大型计算机站等场合，大量应用大功率交流稳压电源。在各种交流稳压设备中，多采用电压补偿原理来稳定输出电压，如：大功率接触补偿型交流稳压电源，无触点感应补偿型及开关补偿型交流稳压电源等。在这些设备中，补偿电路多在基频（50hz）下工作，所以设备体积重量大，转换效率低，限制了它们在大功率场合下的应用。
文献[1][2]等提出了一些高频补偿式电路，但由于使用的元器件较多，电路结构复杂，成本高，难以在实用中得到推广和实用。
文献[3]提出了一种三相高频pwmac链调节器。由于该电路使用开关器件少，控制简单，补偿电路电感性元件为高频元件，数目少，是一种极有开发应用价值的变换电路。本文主要介绍该电路的工作原理，主要参数设计和仿真波形及实验结果。
2电路结构及工作原理
此三相高频斩波交流调压主电路如图1所示。为便于分析，暂不考虑变压器。
开关s1，s2，s3用于交流斩波，开关s4用来在开关s1，s2，s3关断时为负载续流。s1，s2，s3和s4互补导通。c1，c2，c3为各相旁路电容，用cp表示，r1，r2，r3为各相旁路电阻，用rp表示。l1，l2，l3为滤波电感，r4，r5，r6为负载。
为了防止s1，s2，s3和s4同时导通，在它们互补导通转换时设置了死区。在死区时段由电容cp为负载电流提供旁路，电阻rp在死区过后供电容cp放电。变压器用于给负载提供合适的电压并隔离负载和主电路。
此电路正常工作时，有以下几个工作模式：
2?1供能模式
工作在此模式，开关s1，s2，s3导通，s4关断，输入电压加在负载上。如图2所示，假设电流方向如图所示。
2?2旁路模式
工作在此模式，开关s1，s2，s3，s4都关断。负载电流通过旁路电容cp和三相整流桥中的二极管以及开关管的并联二极管保持连续。如图3所示。在此期间会有一部分能量存储在旁路电容cp中，此能量在死区结束后通过电阻rp泄放。
图1三相高频斩波交流调压主电路图
图2供能模式
图3旁路模式
图4续流模式
图5死区等效电路
(a)等效电路(b)等效模型
2?3续流模式
工作在此模式，开关s1，s2，s3关断，s4导通，l1，l2，l3释放能量使负载电流通过s4保持连续。如图4所示。
3主要参数设计
供电通路主要工作在双向buck状态，故图1中a（或b、c）点电压通过傅立叶级数分解可得ua=dv1＋va′ncos[(nωs±ωi)t](1)
式中：ωi为输入电压角频率；
ωs为开关角频率；
va′n为输出谐波幅值；
d为占空比。
其谐波分布在(nωs±ωi)，只要开关频率足够高，滤波电感l可以很小，因此，功率电路的设计主要是旁路电容及电阻的设计。
由前所述，旁路电容的作用主要是在“死区”期间，连续负载电流波形。其等效电路如图5(a)所示（以a相电路供电为例）。
由于电容作用时间很短（2μs～3μs），可以将电源电压与负载电流看作恒定值，其等效模型如图5(b)所示。
3?1旁路电容c与泄放电阻r的设计为了方便推导，分别以电路相电流有效值、相电压有效值为标么值，并设m=，k=，其中ti为输入电源周期，tbp为死区时间。电容电流峰值，则(2)由于旁路电流峰值与最小值差别不大，为简便计算，用代替，则电流平均值为：(3)
电容电压为：
vcbp=vpm[1＋cos(ωit＋φ)]（4）
式中：φ为初相角
其平均值为：(p,u)（5）
则其峰值和有效值分别为：
图6仿真负载电压波形（三相）
图7输出电压波形（一相）
（6）（7）由于，则(p.u)（8）(p.u)（9）又（p.u)，所以旁路电阻为：(p.u)（10）由于上述推导中用代替，所以实际取值时对rbp可适当放大。
3?2仿真及实验
设计一只交流稳压电源，其参数如下：
rl=30ω，tbp=2μs，fs=20khz，ts=50μs，fi=50hz，m==10000，k==400，=5.77a。则有rbp?=37.5(p.u)，即rbp?1.3kω（实际仿真及实验取值为1.5kω）；cbp=，当取为11v时，cbp为1μf；开关管s1～s4（带寄生反向二极管）型号为1mbh60d?100，二极管d4～d9型号为mur8100t。
仿真负载电压波形如图6（d=0.8）所示。
在输入线电压有效值为100v时，实验电路负载电压波形（某一相）如图7（d=0.75）所示。
4结论
由仿真及实验结果表明，在较小滤波电感及旁路电容作用下，的确可以调节输出电压，加入适当的波形反馈控制，可以更进一步优化输出波形。
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