开关互补式交流稳压器的原理分析
1 引言
近年来，在国内电源学术界，交流稳压器的研究内容主要分为两类，一类是开关互补式，另一类就是逆变补偿式。开关互补式交流稳压器就是以自耦变压器----继电器抽头式稳压器为基础，将电力电子开关与传统的继电器触点相结合，为电能的传递增加一个预设的电子通路，以便减少电流切换时产生的冲击和干扰，因为这种冲击往往会损坏机械开关、电子器件，甚至用电设备；逆变补偿式交流稳压器，是以补偿型交流稳压器为基础，从输入侧取得交流电压，经过整流、高频SPWM逆变、相位跟踪和转换产生幅值、相位、频率均可变的交流补偿电压进行稳压，补偿是无极的，补偿精度高，响应速度快。
目前，这两类稳压器的技术都不是很成熟，还没有人对此进行系统的阐述、分析和具体的设计。本文针对开关互补式交流稳压器,提出它的原理和设计方法，并按此方法研制出一台10KVA的开关互补式交流稳压器，以期达到跟踪前沿技术，为进一步开发系列开关互补式交流稳压器做好准备。
2 开关互补式交流稳压电源工作原理
2.1 整机组成
本稳压器由补偿变压器组合单元、继电器单元、开关互补电路、控制电路、过欠压以及过流保护及故障告警电路、辅助电源等部分组成，整机框图如下：
2.1.1 稳压部分的设计
稳压部分可采用的形式有参数调整（谐振）型、自耦（变比）调整型、大功率补偿型、开关型。在这里，我们采用的是大功率补偿型作为稳压部分的主电路，利用继电器改变自耦变压器抽头的方法，来给补偿变压器提供初级电压。其中，互补开关组合阵列采用的是继电器并联式接法。
2.1.2 开关互补电路的设计
关互补电路实际上是继电器的一个旁通电子开关，采用两只IGBT、两只二极管构成的交流通路，是互补式交流稳压器的主要技术点,电路如图3:
图3
互补电路中IGBT承受的电压、电流应力都较大，对IGBT的安全构成极大的影响。而互补电路工作成败之关键，主要取决于IGBT能否安全工作，为了改善IGBT的开关状况和安全工作区域，适应互补式交流稳压器所要求的负载特性，在设计时应注意以下几个问题：
1、通过合理的布线，尽量减小引线电感，以减小IGBT的关断振荡和损耗；
2、每一组互补电路要用专用的辅助电源驱动（典型值是+15V，-5V），既防止因共地而引起的干扰，最主要的是防止了因PN结导通而引起的短路；
3、IGBT的栅极驱动采用电压跟随器的设计方式，同时增加RCD吸收电路，精选其电容、电阻参量，从而有效抑制了脉冲结束时IGBT的反向电压；
4、对IGBT的额定电压、电流参数，选取时除按理论计算外，还要考虑适当的经验系数，使IGBT具有更大的安全工作区域；
5、虽然IGBT的导通时间极短，在正常工作时，热量在还没有传出壳外时，IGBT就已关断，但仍须加一定功率的散热器，目的是使IGBT工作时，其管芯温度在允许结温以下，从而确保IGBT不会因控制电路设计不当造成的损坏。
2.1.3 功率补偿单元
该补偿单元由继电器及其相应的开关互补电路组成，采用并联的方式连接而成。具体电路如图4-1：
图4-1
图4-2
图4-2为功率补尝单元中的继电器与其对应的开关互补电路的工作波形和工作时序关系，从中我们可以知道，开关互补电路是在继电器动作之前先导通，在继电器完成动作后再关断，这是开关互补式交流稳压电源成功的关键所在。
2.2 功率补偿单元的工作原理
为方便阐述，我们把功率补偿单元拆分为继电器J0、J1、J2、J3、J4、J5及其对应的开关互补电路S0、S1、S2、S3、S4、S5。考虑到电网变化的随机和无序性，设计时采用顶层设计、整体考虑的方法，来确定功率补偿单元的工作时序。值得特别强调的是，开关互补电路须采取先开后关的方式工作，即在继电器动作（包括吸合和断开）之前，先让开关互补电路工作，待继电器工作稳定后，再断开关互补电路，这是控制的关键所在，否则开关补式交流稳压器将失去意义。为及时判断继电器的切换状态，特设计了双光耦补偿型电路，实现信号的锁定，以便于单片机的正确判定。表1给出了功率补偿单元在不同输入电压值时的工作时序。
表1
2.3 软件的设计
在系统中，单片机担负着对输入电压的实时检测和处理，控制功率补偿单元的工作，对整机提供各种保护、告警和状态指示。
系统接通市电，合上电源开关后，单片机进行初始化，延时2秒后，进行输入电压检测，若输入电压在允许范围内，则根据电压值进行相应的电压补偿，否则补偿电路不进行任何动作，但要相应的声光告警；电压调整完毕达到输出标准后，自动合上输出交流接触器，系统正常输出。此时，单片机对输出电压进行过压检测，一旦输出电压过高，则切断输出，以防输出电压过高而影响负载工作，在电压恢复正常后，自动合闸，输出电压。单片机还对输入电压进行实时检测，只要市电发生变化，就进入相应的电压补偿子程序，对补偿电压进行调整。其流程图见图5。
图5
3 实作结果
当输入交流电压幅值发生相同的变化时，比较图6所示的两种稳压器输出电压波形可发现，有互补电路与没加互补电路的电源输出电压波形，存在很大的差异：在A图中，没有互补电路的电源输出电压波形，有一明显缺口，这是输出电压波形失真度大、整机电磁干扰强、不能提高功率因数的根本原因所在；而在B图中，这一缺点得到明显的改善，输出电压波形变得平滑，体现出了互补式交流稳压电源的优点。
A无关互补电源输出电压波形
B互补电路电源输出电压波形
图6
其达到的主要技术指标如下：
1）、交流输入电压
220V-30%~220V+20%、50Hz（单相）
2）、额定输入电流 45A
3）、额定输出功率 10KVA
4）、额定输出电压 220V±5%、50Hz
5）、响应时间 ≤50ms
6）、正弦波失真度 ≤1.0%
7）、整机效率 ≥98%
8）、功率因数 >0.95
4 结束语
本电源的研制成功，是在现代电力电子技术与电力传动技术相结合的基础上，利用微处理器进行智能控制和监控管理，研制开发的一种新型高性能价格比的交流稳压器，具有智能化、轻量化、高可靠性的特点。实践证明，开关互补式交流稳压器的以上优点以及它的低成本、高质量的供电效果，必将使该种稳压器具有广阔的应用前景。
参考文献
[1] 张乃国，交流稳定电源分册，辽宁科学技术出版社，1999
[2] 刘凤君，用户电能质量综合补偿器与补偿式在线UPS的原理及应用，UPS应用，No.5,Mar.2002
近年来，在国内电源学术界，交流稳压器的研究内容主要分为两类，一类是开关互补式，另一类就是逆变补偿式。开关互补式交流稳压器就是以自耦变压器----继电器抽头式稳压器为基础，将电力电子开关与传统的继电器触点相结合，为电能的传递增加一个预设的电子通路，以便减少电流切换时产生的冲击和干扰，因为这种冲击往往会损坏机械开关、电子器件，甚至用电设备；逆变补偿式交流稳压器，是以补偿型交流稳压器为基础，从输入侧取得交流电压，经过整流、高频SPWM逆变、相位跟踪和转换产生幅值、相位、频率均可变的交流补偿电压进行稳压，补偿是无极的，补偿精度高，响应速度快。
目前，这两类稳压器的技术都不是很成熟，还没有人对此进行系统的阐述、分析和具体的设计。本文针对开关互补式交流稳压器,提出它的原理和设计方法，并按此方法研制出一台10KVA的开关互补式交流稳压器，以期达到跟踪前沿技术，为进一步开发系列开关互补式交流稳压器做好准备。
2 开关互补式交流稳压电源工作原理
2.1 整机组成
本稳压器由补偿变压器组合单元、继电器单元、开关互补电路、控制电路、过欠压以及过流保护及故障告警电路、辅助电源等部分组成，整机框图如下：
2.1.1 稳压部分的设计
稳压部分可采用的形式有参数调整（谐振）型、自耦（变比）调整型、大功率补偿型、开关型。在这里，我们采用的是大功率补偿型作为稳压部分的主电路，利用继电器改变自耦变压器抽头的方法，来给补偿变压器提供初级电压。其中，互补开关组合阵列采用的是继电器并联式接法。
2.1.2 开关互补电路的设计
关互补电路实际上是继电器的一个旁通电子开关，采用两只IGBT、两只二极管构成的交流通路，是互补式交流稳压器的主要技术点,电路如图3:
互补电路中IGBT承受的电压、电流应力都较大，对IGBT的安全构成极大的影响。而互补电路工作成败之关键，主要取决于IGBT能否安全工作，为了改善IGBT的开关状况和安全工作区域，适应互补式交流稳压器所要求的负载特性，在设计时应注意以下几个问题：
1、通过合理的布线，尽量减小引线电感，以减小IGBT的关断振荡和损耗；
2、每一组互补电路要用专用的辅助电源驱动（典型值是+15V，-5V），既防止因共地而引起的干扰，最主要的是防止了因PN结导通而引起的短路；
3、IGBT的栅极驱动采用电压跟随器的设计方式，同时增加RCD吸收电路，精选其电容、电阻参量，从而有效抑制了脉冲结束时IGBT的反向电压；
4、对IGBT的额定电压、电流参数，选取时除按理论计算外，还要考虑适当的经验系数，使IGBT具有更大的安全工作区域；
5、虽然IGBT的导通时间极短，在正常工作时，热量在还没有传出壳外时，IGBT就已关断，但仍须加一定功率的散热器，目的是使IGBT工作时，其管芯温度在允许结温以下，从而确保IGBT不会因控制电路设计不当造成的损坏。
2.1.3 功率补偿单元
该补偿单元由继电器及其相应的开关互补电路组成，采用并联的方式连接而成。具体电路如图4-1：
图4-2为功率补尝单元中的继电器与其对应的开关互补电路的工作波形和工作时序关系，从中我们可以知道，开关互补电路是在继电器动作之前先导通，在继电器完成动作后再关断，这是开关互补式交流稳压电源成功的关键所在。
2.2 功率补偿单元的工作原理
为方便阐述，我们把功率补偿单元拆分为继电器J0、J1、J2、J3、J4、J5及其对应的开关互补电路S0、S1、S2、S3、S4、S5。考虑到电网变化的随机和无序性，设计时采用顶层设计、整体考虑的方法，来确定功率补偿单元的工作时序。值得特别强调的是，开关互补电路须采取先开后关的方式工作，即在继电器动作（包括吸合和断开）之前，先让开关互补电路工作，待继电器工作稳定后，再断开关互补电路，这是控制的关键所在，否则开关补式交流稳压器将失去意义。为及时判断继电器的切换状态，特设计了双光耦补偿型电路，实现信号的锁定，以便于单片机的正确判定。表1给出了功率补偿单元在不同输入电压值时的工作时序。
2.3 软件的设计
在系统中，单片机担负着对输入电压的实时检测和处理，控制功率补偿单元的工作，对整机提供各种保护、告警和状态指示。
系统接通市电，合上电源开关后，单片机进行初始化，延时2秒后，进行输入电压检测，若输入电压在允许范围内，则根据电压值进行相应的电压补偿，否则补偿电路不进行任何动作，但要相应的声光告警；电压调整完毕达到输出标准后，自动合上输出交流接触器，系统正常输出。此时，单片机对输出电压进行过压检测，一旦输出电压过高，则切断输出，以防输出电压过高而影响负载工作，在电压恢复正常后，自动合闸，输出电压。单片机还对输入电压进行实时检测，只要市电发生变化，就进入相应的电压补偿子程序，对补偿电压进行调整。其流程图见图5。
3 实作结果
当输入交流电压幅值发生相同的变化时，比较图6所示的两种稳压器输出电压波形可发现，有互补电路与没加互补电路的电源输出电压波形，存在很大的差异：在A图中，没有互补电路的电源输出电压波形，有一明显缺口，这是输出电压波形失真度大、整机电磁干扰强、不能提高功率因数的根本原因所在；而在B图中，这一缺点得到明显的改善，输出电压波形变得平滑，体现出了互补式交流稳压电源的优点。
其达到的主要技术指标如下：
1）、交流输入电压
220V-30%~220V+20%、50Hz（单相）
2）、额定输入电流 45A
3）、额定输出功率 10KVA
4）、额定输出电压 220V±5%、50Hz
5）、响应时间 ≤50ms
6）、正弦波失真度 ≤1.0%
7）、整机效率 ≥98%
8）、功率因数 >0.95
4 结束语
本电源的研制成功，是在现代电力电子技术与电力传动技术相结合的基础上，利用微处理器进行智能控制和监控管理，研制开发的一种新型高性能价格比的交流稳压器，具有智能化、轻量化、高可靠性的特点。实践证明，开关互补式交流稳压器的以上优点以及它的低成本、高质量的供电效果，必将使该种稳压器具有广阔的应用前景。
参考文献
[1] 张乃国，交流稳定电源分册，辽宁科学技术出版社，1999
[2] 刘凤君，用户电能质量综合补偿器与补偿式在线UPS的原理及应用，UPS应用，No.5,Mar.2002
时间继电器相关文章:时间继电器
双控开关相关文章:双控开关原理
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