燈絲穩(wěn)流電源ACAC 變換器的設(shè)計(jì)與研制.doc

1、 燈絲穩(wěn)流電源AC/AC變換器的設(shè)計(jì)與研制曹京學(xué)1，2 王 杰1 何占偉3（1 上海交通大學(xué)電氣工程系， 上海 200030，2 中國電工設(shè)備總公司上海分公司， 上海 200030請修訂你的單位的郵政編碼, 3 中國電子科技集團(tuán)公司第十三研究所，石家莊 050051)摘要:介紹了一種新型燈絲穩(wěn)流電源的關(guān)鍵設(shè)計(jì)和計(jì)算，采用并聯(lián)交錯單端正激變換器電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu),它由輸入整流、逆變及輸出換向以及輸入、輸出濾波器構(gòu)成。分析研究了這類變換器工作模式、穩(wěn)態(tài)原理與電壓瞬時值反饋控制策略.原理試驗(yàn)結(jié)果證實(shí)了這類變換器的正確性和先進(jìn)性。關(guān)鍵詞:AC/AC變換器;并聯(lián)單端正激變換器；燈絲穩(wěn)流The Design a

2、nd Development of AC/AC Converters Switching Mode Power Supply on Steadying Current Mode for FilamentCao Jingxue Wang Jie He Zhanwei(1 Shanghai Jiaotong University， Shanghai 200030； 2 Chinese Electrician Equipment Main Corporation Shanghai subsidiary Company, Shanghai 200030請修訂你的單位的郵政編碼； 3 The 13th

3、Graduate School of China Electronics Technology Group Company （CETC） Shijiazhuang 050051）Abstract： The key design and calculation of switching mode power supply on steadying current mode for use with filament are introduced. The circuit topologic is adopted parallel connection singleended forward co

4、nverters, the circuit structure is constituted of input commutate、athwart converters、output exchange phase as well as input and output filter. An operation mode steady principles and transient voltage feedback control strategy of a converter are investigated. The correction and advance of the new co

5、ncept of those converters are verified by the test result。本文為互聯(lián)網(wǎng)收集，請勿用作商業(yè)用途個人收集整理，勿做商業(yè)用途Key Words： Ac/Ac converters；Parallel connection single-ended forward converters；Steadying current mode for use with filament1 引言能源在社會現(xiàn)代化方面起著關(guān)鍵作用。電力電子技術(shù)以其靈活的功率變換方式，高性能、高功率密度、高效率，在21世紀(jì)必將得到大力發(fā)展，而開關(guān)電源是電力電子技術(shù)中占有很大比重的一

6、個重要方面。高功率密度、高效率、高功率因數(shù)、高性能和高可靠性仍然是今后高頻開關(guān)電源的發(fā)展方向。目前AC/DC變換器、DC/DC變換器、DC/AC逆變器高頻環(huán)節(jié)變換技術(shù)的研究經(jīng)過10多年的發(fā)展已取得了顯著的成果，但對AC/AC變換技術(shù)的研究僅限于交流負(fù)載與交流電網(wǎng)無電氣隔離的晶閘管相控變頻器、矩陣變換器和不間斷電源UPS。1添加參考文獻(xiàn)，并編號，與文章最后的參考文獻(xiàn)一致，最好引用文獻(xiàn)1015篇左右2 問題的提出本文首次提出并深入研究了交流負(fù)載與交流電網(wǎng)有高頻電氣隔離的基于并聯(lián)單端正激變換器電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的燈絲穩(wěn)流電源AC/AC變換器，對電力電子學(xué)的發(fā)展和實(shí)現(xiàn)新型電子變壓器、正弦交流穩(wěn)壓器均具有重要

7、意義。2 3 4在電壓源高頻交流環(huán)節(jié)AC/AC變換器原理研究一文中研究了基于Forward變換器的電壓源高頻交流環(huán)節(jié)AC/AC變換器電路結(jié)構(gòu)，如圖1所示.該電路結(jié)構(gòu)由輸入周波變換器、高頻變壓器、輸出周波變換器構(gòu)成,能夠?qū)⒁环N正弦交流電變換成另一種同頻率的正弦交流電。輸入、輸出周波變換器均由四象限功率開關(guān)(能承受雙向電壓應(yīng)力和雙向電流應(yīng)力)構(gòu)成。電壓源高頻交流環(huán)節(jié)AC/AC變換器電路拓?fù)渥骞?種，包括單正激式、并聯(lián)交錯正激式、推挽全波式、推挽橋式、半橋全波式、半橋橋式、全橋全波式、全橋橋式等八種電路。在這里采用并聯(lián)交錯單端正激變換器電路和輸出逆變器研究制作燈絲穩(wěn)流電源AC/AC變換器。為了滿足用

8、戶需求，輸出電流0A3。5Aac可以調(diào)節(jié),輸出電壓小于220Vac,輸出功率不小于1000W。有些過少，請?jiān)偬砩?0行左右的文字3 系統(tǒng)構(gòu)成及主回路設(shè)計(jì)圖2示出整機(jī)電路原理框圖。它的設(shè)計(jì)主要通過并聯(lián)交錯單端正激變換器電路和輸出逆變器兩部分完成。單相市電經(jīng)輸入濾波整流、逆變成具有高頻載波的正弦調(diào)制信號,然后經(jīng)過整流及高頻濾波得到正弦波全波整流后的波形（準(zhǔn)正弦波），再由四個MOSFET橋式換向后成為50Hz正弦波。增加反饋控制回路實(shí)現(xiàn)0A3。5Aac可以調(diào)節(jié)的輸出穩(wěn)流的性能要求.圖1 電壓源高頻交流環(huán)節(jié)AC/AC變換器電路結(jié)構(gòu)Fig。1把對應(yīng)的英文寫出 AC/ AC convertor circu

9、it frame with high frequency AC link on voltage mode圖2 電路原理框圖Fig。2與圖1批注一樣 Circuit principle frame of power supply圖3 電路原理圖Fig.3與圖1批注一樣 Circuit principle diagram 隔離式DC/DC變換器電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)中并聯(lián)單端正激變換器電路主要應(yīng)用在中小功率電源，適合本電源要求的1000W輸出功率的要求，不失為一種合理的選擇。它有兩個相同的單端正激變換器交叉并聯(lián)使用，提供雙倍的輸出功率。如果兩開關(guān)管由一組PWM脈沖激勵同時通斷，在副邊則可得到兩個單端變換器的

10、疊加功率輸出。如果S1和S2由交替的脈沖通斷,而每個開關(guān)管的導(dǎo)通時間最大值均小于二分之一周期,那么不僅輸出功率是兩個單端變換器的功率疊加，并且由于續(xù)流二極管兩端的開關(guān)脈沖頻率提高了一倍,有利于縮小輸出濾波器的體積，并減少輸出電壓紋波.DC/DC變換電路主要為功率變壓器設(shè)計(jì),它采用。經(jīng)過分析計(jì)算采用ETD49磁芯，初級線圈30匝，則根據(jù)輸出電壓最高220Vac、輸入最低電壓198Vac、最大占空比0.45可求得次級繞組圈數(shù)N2,N2=(30/198)×（220/(0.43×2）=38.8,取N2為39匝。10在高頻逆變SPWM（100kHz)逆變過程中柵驅(qū)動波形為高頻SPWM

11、波形，經(jīng)過高頻變壓器變壓隔離,得到具有正弦包絡(luò)線的正弦調(diào)制交流波形，一次完成所需電壓與調(diào)制。然后經(jīng)過超快恢復(fù)二極管整流，LC高頻濾波，濾掉高頻分量，保留100Hz的低頻成分，得到準(zhǔn)正弦波。在換向過程中，柵驅(qū)動波形不是高頻SPWM，而是低頻50Hz方波，經(jīng)過4個MOSFET橋式換向后，在第一個半周M1、M4導(dǎo)通,在第二個半周M2、M3導(dǎo)通，得到50Hz的正弦波輸出，在經(jīng)過濾波便得到失真度較小的50Hz的正弦波輸出。 電壓（V）時間（t）高頻SPWM波形次極波形高頻濾波后波形換向后輸出波形圖4 各階段的變換波形Fig.4與圖1批注一樣 The conversion waveforms of eac

12、h phases4 關(guān)鍵技術(shù)設(shè)計(jì)4.1 同步方波的產(chǎn)生如何保證兩次變換的波形同步，這是設(shè)計(jì)的核心問題。也就是考慮初級高頻SPWM包含的正弦波信息與次極控制方波保持完全同步。這樣才不致使輸出波形有較大的交越失真，因?yàn)?0Hz的方波驅(qū)動，頻率低，MOSFET正式在電壓過零時開通和關(guān)斷，不存在換向損耗,效率較高，增加了產(chǎn)品的可靠性。市電經(jīng)過電壓采樣、比較產(chǎn)生兩路50Hz的方波脈沖，這樣與初級高頻SPWM包含的正弦波信息保持了同步,見圖5所示。然后經(jīng)光耦隔離、IR2110驅(qū)動芯片的整形延時，有效的控制4只MOSFET（IRFP460）進(jìn)行換向。圖5 換向信號的產(chǎn)生電路Fig.5與圖1批注一樣 maki

13、ng the signal circuit of exchange direction4.2 控制環(huán)路及SPWM柵驅(qū)動波形的產(chǎn)生SPWM柵驅(qū)動波形的產(chǎn)生是利用開關(guān)電源專用集成電路UC2825來產(chǎn)生的.由于是穩(wěn)流電源,電流輸出采樣取自于高頻整流濾波后瞬時值。得到一全波整流后的波形經(jīng)濾波整形成一直流電壓與電流基準(zhǔn)比較放大,這一誤差控制信號光耦隔離后送到UC3825的誤差放大器的同相端，從而控制高頻SPWM輸出（f=100kHz），得到穩(wěn)定的電流輸出。11圖6 單端正激箝位軟開關(guān)電路Fig。6與圖1批注一樣 The clamp soft switch circuit of single-ended

14、forward converters4.3 單端正激箝位軟開關(guān)并聯(lián)交錯單端正激變換器電路是由兩個單端變換器構(gòu)成，為了防止功率器件關(guān)斷時引起的過電壓保證900V的MOSFET（SSH10N90A)安全工作，引入箝位軟開關(guān)電路。圖6示出單端正激箝位軟開關(guān)電路。嵌位繞組N1和嵌位電容CCL、二極管DCL使開關(guān)SP在關(guān)斷時有效地把電壓嵌位到2Vs上。并用LS、CS、DC、DS形成零電壓關(guān)斷和零電流導(dǎo)通的軟開關(guān)條件，實(shí)現(xiàn)了高可靠和高效率工作。64.4 次級有源箝位技術(shù)由于整流二極管的反向恢復(fù)特性和變壓器次級漏感的存在，使次級整流電路產(chǎn)生很高的尖峰電壓和明顯的電磁干擾,通常采用RC電路來加以抑制，但在高頻

15、時損耗很大。圖7 次級有源箝位技術(shù)Fig。7與圖1批注一樣 The secondary active clamp technology circuit圖7中L2為變壓器的次級漏感。緩沖電路由L5、C5、開關(guān)S5及二極管D3、D4、D6、D7組成。整流管D1（RHRP8120）和續(xù)流管D2（RHRP8120）在反向恢復(fù)時使變壓器次級漏感L2儲能增加，本文所述的有源箝位電路有效地限制了二極管兩端的反向峰值電壓，同時將二極管反向恢復(fù)電流在漏感上的儲能轉(zhuǎn)移到負(fù)載中，從而有效地提高了效率。64。5 多重環(huán)路控制電路平均電流模式控制系統(tǒng)采用PI調(diào)節(jié)器，需要確定比例系數(shù)和零點(diǎn)兩個參數(shù)。調(diào)節(jié)器比例系數(shù)Kp的計(jì)

16、算原則是保證電流調(diào)節(jié)器輸出信號的上升階段的斜率比鋸齒波斜率小.這樣電流環(huán)才會穩(wěn)定.13零點(diǎn)選擇在較低的頻率范圍內(nèi)，在開關(guān)頻率所對應(yīng)的角頻率的1/101/20處，以獲得在開環(huán)截止頻率處較充足的相位裕量。圖8 具有濾波功能的PI調(diào)節(jié)器Fig.8與圖1批注一樣 PI adjustor with filter function另外在PI調(diào)節(jié)器中增加一個位于開關(guān)頻率附近的極點(diǎn)，用來消除開關(guān)過程中產(chǎn)生的噪聲對控制電路的干擾，這樣的PI調(diào)節(jié)器的結(jié)構(gòu)如圖8是否為圖8？所示.該P(yáng)I調(diào)節(jié)器的傳遞函數(shù)為：從傳遞函數(shù)可以看出,該P(yáng)I調(diào)節(jié)器有1個積分環(huán)節(jié)、1個極點(diǎn)和1個零點(diǎn)構(gòu)成.零點(diǎn)由R2和C1決定，極點(diǎn)由R2與C1串

17、C2決定。高頻開關(guān)電源產(chǎn)品不但要考慮電源本身參數(shù)設(shè)計(jì),還要考慮電氣設(shè)計(jì)、電磁兼容設(shè)計(jì)、熱設(shè)計(jì)、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、安全性設(shè)計(jì)和三防設(shè)計(jì)等方面.因?yàn)槿魏畏矫婺桥率亲钗⑿〉氖韬?都可能導(dǎo)致整個電源的崩潰，所以我們應(yīng)充分認(rèn)識到高頻開關(guān)電源產(chǎn)品可靠性設(shè)計(jì)的重要性。5 試驗(yàn)結(jié)果對設(shè)計(jì)參數(shù)進(jìn)行試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果如圖9和圖10所示。 圖9 逆變開關(guān)功率管的漏極電壓波形 圖10 變壓器次極的電壓波形Fig.9與圖1批注一樣 D voltage waveforms of transformer primary voltage Fig.10與圖1批注一樣 Waveforms of transformer secondary v

18、oltage表1 測試結(jié)果項(xiàng)目實(shí)測結(jié)果輸入電壓范圍198242Vac（50Hz）效率89輸出電流交流03。5A連續(xù)可調(diào)輸出功率不小于1000W輸出電流穩(wěn)定度1尺寸89 mm×133 mm×312mm從上表可以分析得到：測試結(jié)果符合用戶要求，批量生產(chǎn)用戶連續(xù)使用1年以上無故障現(xiàn)象。6 結(jié)論在高輸出電壓、大功率應(yīng)用場合，變壓器次極的高電壓使整流二極管的選擇變的困難,往往成為制約變換器設(shè)計(jì)的關(guān)鍵因素，并最終影響變換器的效率。為了減小變換器次極電壓，增加變換器的容量,可采用并聯(lián)交錯單端正激變換器電路和次極有源箝位技術(shù)來解決。通過以上分析研究了這類變換器工作模式、穩(wěn)態(tài)原理與電壓瞬時值

19、反饋控制策略，原理試驗(yàn)結(jié)果證實(shí)了這類變換器的正確性和先進(jìn)性。它具有電路拓?fù)浜啙崱杉壒β首儞Q、高頻電氣隔離、電流穩(wěn)定度高等優(yōu)點(diǎn)，可以推廣應(yīng)用到相關(guān)場合.結(jié)論太少，請?jiān)黾?8行左右的文字8參 考 文 獻(xiàn)1 丁道宏著，國內(nèi)外開關(guān)電源的發(fā)展展望,南京航空航天大學(xué)，2005年2 陳道煉著，高頻環(huán)節(jié)航空靜止變流器研究,南京航空航天大學(xué)博士后研究報(bào)告，2001.3 陳道煉、李磊等著，電壓源高頻交流環(huán)節(jié)AC/AC變換器原理研究, 南京航空航天大學(xué)自動化學(xué)院，2002。 4 陳道煉、李磊等著，電流源高頻交流環(huán)節(jié)AC/AC變換器原理研究， 南京航空航天大學(xué)自動化學(xué)院,2004.5 施濤昌， 功率IGBT的驅(qū)動保

20、護(hù)技術(shù)及其應(yīng)用實(shí)例， 電氣開關(guān), No。 5, 1996, 15。6 聶榮琪著，次級有源嵌位軟開關(guān)技術(shù)，匯能技術(shù)論文集，匯能電子（集團(tuán)）公司，1999年12月。7 楊旭等著，開關(guān)電源技術(shù)，機(jī)械工業(yè)出版社，2004年1月。8 龔廣海等著，一種新型的并-串型雙管正激組合變換器，電力電子技術(shù)，2002年4月。9 黃俊等著，電力電子變流技術(shù)，機(jī)械工業(yè)出版社，2003年10 趙修科著,開關(guān)電源中磁性元器件，南京航空航天大學(xué)自動化學(xué)院,2004年8月11 UC2825，Unitrode公司產(chǎn)品手冊，2004年12 CharlesL.Neftetal，Theoryand Design of a 30hpMatrix Conv