斬控式純正弦波交流調壓器的設計

石理碧，李春生，王魯楊，陳炯

（1.杭州市質量技術監督檢測院，浙江杭州310019;2.安徽阜陽供電公司，安徽阜陽236000; 3.上海電力學院，上海 200090）

交流電壓調節器廣泛應用于電機啟動與調速，交流穩壓，調光等工業領域［1-4］.目前，對于交流調壓的方法有兩種：一是以交流變壓器為核心的調壓、降壓手段，包括多抽頭、自耦等，但存在體積大、調節精度低或有級調節、可靠性差等缺點;二是利用晶閘管相控的調壓器，但因其采用相控方式而導致功率因數低、諧波大、動態響應慢、濾波器體積大等缺點.

近年來，絕緣柵雙極結型晶體管（IGBT）因其性能優良而得到了廣泛的應用.IGBT的顯著優點是開關速度快、損耗小，所需驅動信號功率小，脈寬調制技術可借助高開關頻率降低諧波的優點，通過IGBT得到了完美的體現.采用IGBT實現交流電壓的斬波調節，替代傳統的基于半控型器件SCR的相控技術，大大改善了交流電壓調節器的性能.交流斬波控制調壓技術具有輸出功率因數僅取決于負載的功率因數、動態響應速度快、線性調壓范圍寬，以及輸入輸出電壓易于濾波高度正弦化等優點.

根據這些優點，本文在交流斬波調壓技術的基礎上，設計了一種交流調壓系統.整個系統采用DSP控制，大大簡化了控制核心系統的復雜程度，提高了控制的精度和速度，使輸出電壓高度正弦化，并使電網側和負載側的功率因數基本相同，實現了對輸出電壓和電流的控制.

1 交流斬波技術的工作原理

交流動態電壓調節電路的主電路由輸入濾波、開關電路和輸出濾波3部分組成，其結構如圖1所示.

圖1 交流斬波調壓電路原理

圖1中，濾波電感L1和濾波電容C1組成輸入濾波，對電網中的高頻分量進行吸收;雙向開關S1和S2由兩個IGBT共射極連接;電感L2用于存儲能量并將其傳遞到輸出端，濾波電容C2作為輸出濾波電路.

由圖1可以看出，在理想斬波方式下，斬波開關S1，S2和續流開關S3，S4交替工作，每個開關周期分為斬波導通和續流階段.輸出電壓為：

可見，輸出電壓由輸入電壓的基波和高次諧波所組成.當開關頻率足夠高時，只要引入較小尺寸的輸入、輸出濾波器，即可將輸入電流、輸出電壓中的諧波完全消除，同時不改變系統的功率因數.此時，輸出電壓為：

因此，可通過調整占空比，實現對輸出電壓的調節.

2 交流斬波的控制方式

交流斬波調壓控制方式與開關器件的工作模式有關，一般分為互補控制和非互補控制兩種.其中S1～S4為全控開關，一般用帶反并聯二極管的IGBT單元代替，S1和S2起斬波作用，S3和S4起續流作用.

2.1 互補控制方式

互補控制方式是指在一個開關周期內，斬波開關和續流開關必須有且只能有一個導通，要求驅動信號嚴格準確.由于電力電子器件開通和關斷都需要一定時間，如果不加處理，就會在過渡階段導致開關直通.因此，實際應用時必須在兩個控制信號之間添加控制死區，即在過渡期間時需要兩類開關同時關斷.但由于死區的存在，容易使感性電路產生大的瞬時電壓沖擊，需要增加一定功率的緩沖電路.這不僅會使波形畸變、效率降低，而且如何設計緩沖電路也是難點.

2.2 非互補控制方式

非互補控制方式是指按不同規律分別控制斬波開關和續流開關的工作狀態，避免出現互補控制中的直通所導致的短路現象，不需要或只需很小的緩沖電路即可.根據檢測負載電流與否，又分為無電流檢測和有電流檢測兩類.在無電流檢測非互補控制方式的情況下，可以避免出現直通現象.但當輸入電壓和輸出電流不同相時，該控制方式存在失控現象，即輸出電壓不是斬波波形.失控區的存在使輸出電壓包含較明顯的3次和5次等低次諧波.而在有電流檢測的非互補控制方式的情況下，當電壓和電流不同相時，續流開關也做斬波工作，這樣雖然消除失控現象，但控制較復雜.

3 交流斬波調壓器的設計

根據上述交流斬波的原理，本文采用非互補控制方式對其進行控制，可使系統的諧波分量變小，并消除系統的失控區.整個系統由交流斬波電路、信號處理電路、邏輯控制電路和濾波電路組成，其原理結構如圖2所示.

圖2 交流調壓器的原理

由圖2可以看出，整個系統的工作過程分為以下5個步驟：一是對交流信號進行濾波，濾出電網中的高頻分量;二是對電壓波形進行測量，并將交流信號送到調壓電路，利用斬波原理對交流電壓進行斬波;三是利用輸出濾波電路對其輸出的斬波信號進行濾波，濾除高頻分量，從而在負載上得到完整的正弦波電壓信號，并對負載上的電流進行測量;四是將測得的電流信號送入DSP系統中，與基準信號進行對比，輸出合理的PWM信號，將其送入邏輯控制電路;五是邏輯控制電路根據輸入的PWM信號、電壓信號和電流信號，輸出合理的非互補式控制方式的控制信號，經IGBT的驅動電路對其進行驅動，最終實現交流斬波.

3.1 主電路分析

由圖1可以看出，交流斬波主電路的輸出電壓波形受斬波頻率大小的影響.為了了解其影響的程度，本文采用PSPICE軟件對其進行了仿真分析.圖3分別為斬波頻率為5 kHz，10 kHz，20 kHz下的輸出電壓波形.

由圖3可以看出，在電路其他參數不變的條件下，隨著斬波頻率的上升，其輸出電壓的波形質量越來越高，并且其輸出電壓的效率也在增加.因此，在制作交流斬波調壓系統的過程中，可選擇較大的斬波頻率.

圖3 不同斬波頻率下的電壓輸出波形

3.2 控制邏輯電路的設計

在本設計中，對開關采用非互補方式進行控制，從而消除失控現象，這就需要對續流支路進行相應的斬波控制.為使系統更加可靠，本系統采用一路PWM波，并通過邏輯電路實現對4個IGBT的控制，其控制電路和波形見圖4和圖5.

圖5中的U和I的曲線分別代表電壓、電流經過零比較后的曲線，S1，S2，S3，S4的波形分別為IGBT1，IGBT2，IGBT3，IGBT4的控制信號波形.從控制波形可以看出，本文所設計的邏輯控制系統消除了斬波過程中的盲區，實現了整體斬波.

圖4 邏輯控制示意

圖5 4個IGBT的控制波形

通過分析斬波頻率為10 kHz的交流調壓器的波形發現，在輸出功率為15 kW時，整個調壓器的輸出功率因數為99%，諧波THD小于2.5%.

4 結論

（1）本文所設計的邏輯控制電路滿足非互補控制方式，實現了對輸入電壓波形的整體斬波，不存在不可控區域.

（2）通過仿真結果可以看出，斬波后的輸出電壓波形受斬波頻率的影響，頻率越高，輸出電壓的波形越好，效率越高.因此，在設計的過程中，可盡量增大斬波頻率，以提高輸出波形的質量，減少諧波含量.

［1］VESZPREMIK，HUNYAR M.New application fields of the PWMIGBT AC chopper［C］//Eighth International Conference of Power Electronics and Variable Speed Drives.London：IEE press，2000：46-51.

［2］FUJIKURA S，UEDA A，TORII A.Analysis of a threephasebuck-boost AC chopper controlled in two phases［C］// Power Conversion Conference.Nagoya：IEEE press，2007： 824-830.

［3］HIETPASSM，NADEN Mv.Automatic voltage regulator using an AC voltage-voltage converter［J］.IEEE Transaction on Industry Application，2000，36（1）：33-38.

［4］SINCERO G C R，PERIN A J.High pressure sodium lamp high power factor electronic ballasts using AC/AC converters［J］.IEEE Transactions on Power Electronics，2007，22（3）： 804-814.

（編輯蘇娟）