新型EPWM斬波器式交流穩(wěn)壓電源的原理分析

I_S=（19）

式中：P為市電輸入功率。

補(bǔ)償變壓器初級(jí)電流，即橋式斬波器輸出電流

I_ch=（20）

即橋式斬波器的斬波開(kāi)關(guān)管的額定電流，只有市電輸入電流I_S的1/ξ。因而補(bǔ)償功率

P_co=U_ab1I_ch=DU_L=（21）

當(dāng)U_S=U_L時(shí)，D=0，補(bǔ)償功率P_co,min=0；當(dāng)U_s,min=(1－0.15)U_L=0.85U_L時(shí)，D=1，則補(bǔ)償功率

P_co,max==0.176P（22）

可以根據(jù)P_co,max來(lái)選擇補(bǔ)償變壓器Tr的容量。

4 單相EPWM斬波器式交流穩(wěn)壓電源

單相EPWM斬波器式交流穩(wěn)壓電源的原理電路如圖5所示，此電路只是為了說(shuō)明原理而采用的。它由5個(gè)部分組成，即主電路，市電電壓檢測(cè)電路，正、負(fù)補(bǔ)償控制電路，三角波發(fā)生器電路和正、負(fù)補(bǔ)償切換觸發(fā)電路。主電路的組成與工作原理前面已經(jīng)作過(guò)了介紹，下面僅對(duì)其余4個(gè)部分作一簡(jiǎn)單說(shuō)明。

4.1 市電電壓檢測(cè)電路

市電電壓的檢測(cè)電路，由兩個(gè)相同的變壓器T_r2、T_r3及二極管V_D9～V_D12，C_d2組成。市電電壓檢測(cè)的采樣點(diǎn)取法，對(duì)穩(wěn)壓精度影響很大。如果采樣點(diǎn)取自輸入端，檢測(cè)市電輸入電壓，對(duì)補(bǔ)償電壓的穩(wěn)定性是有利的，但不能補(bǔ)償因變壓器T_r1次級(jí)漏抗及濾波電感L_F電抗引起的電壓降，補(bǔ)償精度差；如果采樣點(diǎn)取自輸出端，檢測(cè)輸出負(fù)載電壓，這樣可以對(duì)T_r1次級(jí)漏抗及L_F電抗引起的電壓降進(jìn)行補(bǔ)償，但補(bǔ)償后由于U_L=U_r就不能繼續(xù)保持T_r1次級(jí)補(bǔ)償電壓u_co的存在，出現(xiàn)補(bǔ)償不穩(wěn)定現(xiàn)象；如果像多個(gè)補(bǔ)償變壓器無(wú)觸點(diǎn)補(bǔ)償式交流穩(wěn)壓電源那樣，采樣點(diǎn)取自輸入端與輸出端，對(duì)市電輸入電壓與負(fù)載電壓同時(shí)檢測(cè)，然后將它們相加并除以2，即，當(dāng)I_S≠0時(shí)，如果令T_r1次級(jí)漏抗X_T與L_F電抗X_L之和X_T＋X_L=X，則U_S－XI_S=U_L，所以==U_S－。由此可知這種檢測(cè)法雖然可以對(duì)因X而造成的電壓降進(jìn)行補(bǔ)償，也不會(huì)出現(xiàn)補(bǔ)償不穩(wěn)定現(xiàn)象，但只能補(bǔ)償一半的XI_S，還有一半XI_S不能進(jìn)行補(bǔ)償。比較好的檢測(cè)法是采樣點(diǎn)取自輸入端，檢測(cè)市電輸入電壓U_S及檢測(cè)X上的電壓降XI_S，用U_S－XI_S作為檢測(cè)到的電壓。這樣，既能保證補(bǔ)償電壓的穩(wěn)定性，也能使補(bǔ)償?shù)木忍岣?。圖5所示的單相穩(wěn)壓電路，就是采用了這種電壓檢測(cè)電路。

串聯(lián)補(bǔ)償變壓器的次級(jí)漏電抗X_T，一般為T_r1容量的（3～5）％。而T_r1的容量與市電電壓的波動(dòng)范圍有關(guān)，當(dāng)市電電壓波動(dòng)范圍為±15％時(shí)，T_r1的容量?jī)H為穩(wěn)壓電源標(biāo)稱容量的17.6％。所以，補(bǔ)償變壓器T_r1折算到負(fù)載額定電壓U_r的次級(jí)漏抗壓降標(biāo)么值為

X_TI_S=(0.03～0.05)×0.176=0.00528～0.0088

X_TI_S的值很小，可以認(rèn)為X_TI_S≈0，此時(shí)只需對(duì)L_F電抗X_L引起的電壓降進(jìn)行補(bǔ)償就可以了。在圖5中，變壓器T_r2檢測(cè)的是市電輸入電壓U_S，變壓器T_r3檢測(cè)的是L_F上的電壓降，用T_r2及T_r3的次級(jí)電壓相減后再進(jìn)行整流，就可以得到反映U_S－X_LI_S數(shù)值的直流電壓U_SL。

4.2 對(duì)市電電壓波動(dòng)進(jìn)行正負(fù)補(bǔ)償?shù)目刂齐娐?

對(duì)市電電壓波動(dòng)進(jìn)行正、負(fù)補(bǔ)償?shù)目刂齐娐罚蓤D5中比較器U₁、U₂，比例放大器PI₁、PI₂，及EPWM比較器U₃、U₄，和基準(zhǔn)電壓給定電路R₃～R₅組成。它分成上下兩個(gè)支路，上支路由U₁、PI₁、U₃組成，用于對(duì)市電電壓的負(fù)波動(dòng)進(jìn)行正補(bǔ)償控制；下支路由U₂、PI₂、U₄組成，用于對(duì)市電電壓的正波動(dòng)進(jìn)行負(fù)補(bǔ)償控制。與此相應(yīng)基準(zhǔn)電壓給定電路也給出了兩個(gè)基準(zhǔn)電壓給定值U_r1及U_r2。U_r1對(duì)應(yīng)于市電電壓的218V；U_r2對(duì)應(yīng)于市電電壓的222V。當(dāng)市電電壓U_S218V時(shí)上支路工作，下支路不工作，U_SL與U_r1在U₁中進(jìn)行比較，產(chǎn)生出正誤差電壓＋ΔU，＋ΔU經(jīng)過(guò)PI₁放大后與三角波u_c在U₃中進(jìn)行比較，產(chǎn)生出使橋式斬波器對(duì)市電電壓進(jìn)行正補(bǔ)償?shù)目刂啤．?dāng)市電電壓U_S>222V時(shí)下支路工作，上支路不工作，U_SL與U_r2在U₂中進(jìn)行比較，產(chǎn)生出正誤差電壓＋ΔU，＋ΔU經(jīng)過(guò)PI₂放大后與三角波u_c在U₄中進(jìn)行比較，產(chǎn)生出使橋式斬波器對(duì)市電電壓進(jìn)行負(fù)補(bǔ)償?shù)目刂??；鶞?zhǔn)電壓給定電路給出兩個(gè)基準(zhǔn)電壓（U_r1=218V與U_r2=222V）的目的，是為了當(dāng)市電電壓U_S在218V～222V之間時(shí)不使穩(wěn)壓電源工作，以避免市電電壓U_S在（220±2）V區(qū)間內(nèi)穩(wěn)壓電源產(chǎn)生正負(fù)補(bǔ)償振蕩，使輸出電壓不穩(wěn)定，這一點(diǎn)在圖1中沒(méi)有表明。這里需要指出的一點(diǎn)是，圖5中運(yùn)放PI₁和PI₂的放大倍數(shù)，與補(bǔ)償變壓器T_r1的初次級(jí)變比ξ₁：1、檢測(cè)變壓器T_r2、T_r3（兩個(gè)變壓器完全相同）的初次級(jí)變比ξ₂：1、三角波的電壓幅值U_cm及市電電壓的幅值U_m有關(guān)。PI₁及PI₂的放大倍數(shù)

K≥ξ₁×ξ₂×

當(dāng)T_r1、T_r2、T_r3的變比相同時(shí)，K≥ξ₁²

圖5 單相EPWM斬波式穩(wěn)壓電源的原理電路

4.3 三角波發(fā)生器電路

三角波發(fā)生器電路由一個(gè)方波電壓發(fā)生器（U₇）和一個(gè)積分器（U₈）組成，如圖5中U₇及U₈所示，這種電路在UPS中是常用的。三角波頻率與方波電壓發(fā)生器的頻率相同，當(dāng)方波電壓發(fā)生器中的電阻R₈=0.86R₉時(shí)，三角波頻率f_c≈

4.4 狀態(tài)切換觸發(fā)電路

狀態(tài)切換與觸發(fā)電路如圖5下部電路所示。它是由脈沖變壓器T_r4、T_r5、T_r6、T_r7及其下面的兩個(gè)三極管組成的。圖中U₉、U₁₀是將市電電壓變換成與其相對(duì)應(yīng)的正、負(fù)半周方波電壓。U₉得到與u_s正半周相對(duì)應(yīng)的方波電壓，U₁₀得到與u_s負(fù)半周相對(duì)應(yīng)的方波電壓。電路的切換采用的是三極管與門的工作原理，觸發(fā)電路采用的是脈沖變壓器輸出形式，當(dāng)然也可以采用光耦的輸出形式。切換電路有兩組輸入信號(hào)，每組兩個(gè)輸入信號(hào)，即正補(bǔ)償與負(fù)補(bǔ)償，正半周方波與負(fù)半周方波。因此，應(yīng)有4組觸發(fā)電路，即由T_r4、V₅、V₆組成的正補(bǔ)償正半周觸發(fā)電路；由T_r6、V₉、V₁₀組成的正補(bǔ)償負(fù)半周觸發(fā)電路；由T_r7、V₁₁、V₁₂組成的負(fù)補(bǔ)償正半周觸發(fā)電路和由T_r5、V₇、V₈組成的負(fù)補(bǔ)償負(fù)半觸發(fā)電路。每一種觸發(fā)電路，只有當(dāng)脈沖變壓器下面的二個(gè)三極管同時(shí)導(dǎo)通時(shí)才能輸出觸發(fā)脈沖。脈沖變壓器下面的兩個(gè)三極管，其中一個(gè)受正負(fù)補(bǔ)償信號(hào)的控制，另一個(gè)受正負(fù)半周方波電壓的控制。因此，四種觸發(fā)電路對(duì)應(yīng)于市電電壓的每半個(gè)周期中，只有一種觸發(fā)電路輸出觸發(fā)脈沖，其它3種觸發(fā)電路不工作。由于正負(fù)方波電壓的加入，4種觸發(fā)電路之間每半個(gè)周期轉(zhuǎn)換一次，而且轉(zhuǎn)換是在市電電壓過(guò)零時(shí)進(jìn)行。因此，觸發(fā)電路的切換不會(huì)對(duì)輸出產(chǎn)生沖擊。

4.5 穩(wěn)壓補(bǔ)償過(guò)程

空載時(shí)假定U_SU_r，則正補(bǔ)償控制電路工作，并使V₆、V₁₀導(dǎo)通。在市電電壓正半周，U₉使V₅、V₁₁導(dǎo)通。由于V₅、V₆導(dǎo)通，T_r4輸出觸發(fā)脈沖，使斬波橋中V₁、V₄導(dǎo)通。在市電電壓負(fù)半周，U₁₀使V7、V₉導(dǎo)通，由于V₉、V₁₀導(dǎo)通，T_r6輸出觸發(fā)脈沖，使斬波橋中V₂、V₃導(dǎo)通，對(duì)市電電壓進(jìn)行正補(bǔ)償。補(bǔ)償電壓U_co的大小，與U_r1－U_SL=ΔU的大小成比例。如果此時(shí)加載，I_S≠0，則T_r3檢測(cè)的電壓降XI_S使U_S減小，因而ΔU增大，補(bǔ)償電壓U_co也相繼增大，以達(dá)到U_S＋U_co=U_L=U_r的補(bǔ)償目的。

當(dāng)U_S>U_r時(shí)，穩(wěn)壓補(bǔ)償過(guò)程與U_SU_r時(shí)相似，不再重復(fù)。

5 三相EPWM斬波器式交流穩(wěn)壓電源

三相EPWM斬波器式交流穩(wěn)壓電源，可以用三個(gè)如圖5所示的單相電路組成。由于三相是各自獨(dú)立地進(jìn)行穩(wěn)壓補(bǔ)償控制，所以，還可以對(duì)市電輸入電壓的不對(duì)稱度進(jìn)行補(bǔ)償。

6 結(jié)語(yǔ)

按照上述原理制成了一臺(tái)2.5kVA樣機(jī)，當(dāng)輸入電壓變化范圍為±15％時(shí)，輸出電壓的變化±1％，諧波含量2.3％。

這種穩(wěn)壓電源的特點(diǎn)是體積小、重量輕、穩(wěn)壓精度高、反應(yīng)速度快、是無(wú)級(jí)補(bǔ)償、電路簡(jiǎn)單。當(dāng)市電電壓在218～222V時(shí)，穩(wěn)壓電源不工作，不耗電，電源損耗小，效率高。但只能補(bǔ)償市電電壓的大小變化，不能補(bǔ)償諧波。