交流斩波控制调压技术探讨

S (t)=
D+
1 [ sin 2 n n= 1
D
cos
2n Ts
t+
( 1- co s2 n
D
)
sin
2n Ts
t]
其中占空比 D = / T s, 调制比 N = f s/ f 。由
于 uo( t )= u i( t) ! s( t)
则 uo( t )= ui ( t ) ! s ( t )= D U m sin 2 f t + ( Um /
扑, 其控制驱动信号如图 4- b, 开关工作模式由电 压极性 决 定, 当 u i 正 半波 时、T 11 斩波、T 12导 通、
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T 21斩波续流。当 u i 为负半波时, T 12开关斩波、 T 11导通、T 21导通、T 22斩波。整个工作过 程分为有 源状态、死区状态以及续流状态。从图 4- b 可看 到, 开关管的驱动信号虽也设有一定死区, 但由于 开关管体内集成了二极管为半控开关, 将在电感 电流源驱动下导通, 从而实现续流, 不存在续流受 阻产生的过电压。该类 电路拓扑 不存在续 流受阻 的过电压, 且由于开关模块中有一个处于导通工 作模式, 其转换效率较高。但由于开关工作模式 由电压极性决定, 必须采用同步技术, 需四路驱动 信号, 驱动电路较为复杂, 开关承受开路反电压较 大。 3 2 单管双向电子开关( 图 2- b)
是指电感 L r、C f 的振荡, L r、C r、C s、C ce( 开关管集 射级电容) 谐振, 振荡实现了开关管关断零或准零 切换, 谐振使开通瞬间电流尖峰转为谐振峰值, 实 现准零开通切换, 从而软化了开关过程, 但由于该 电路通过振荡实现关断零电流切换, 故在不同负 载下参数较难优化设计。
单管双向电子开关中全控开关只一个, 其它 由四个不控的快恢复二极管构成, 其实质为对全 桥整流脉动输出电压( 非交流电压) 进行斩波调制 调压, 调制对象与直流斩波相似, 故在一些问题上 可参考直流斩波处理方法, 如缓冲电路设计等。
图 5 为一种经济型单管交流调压电路, 开关 管对整流脉动输出电压进行斩波调制, 从而达到 调压, 在输出滤波上采用电容一阶滤波。可看到 这种电路拓扑结构简单, 无需续流回路, 且需一路 驱动信号, 为一种经济型交流调压电路。但只能 用于阻性负载, 所需的滤波电容比较大, 且要求电 容能通过较大的交 流电流。该拓 扑有较大 的浪涌 电流, 由于电容积分效应, 电路动态响应速度变 慢。故其适用于成本低、性能 要求不 高、容 量较小 的交流调压中。
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1 交流斩波控制调压原理
交流斩波调压与直流脉宽调制原理一样, 只
是斩波调制对象不同, 电路结构上要求能对交流 电进行双向调制, 为高频周期矩形波函数对正弦
函数的调制, 调制原理如图 1。调制原理 Fourrier
展开分析如下:
u i ( t ) = U msin( 2 f t)
1 开关合 开关函数 S ( t)= 0 开关闭 S ( t) 的 Fourr ier 展开为:
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功率 3000W , 输入电压 220V( 此时 D = 1) 。图 7、 8 为该调压模块波形图。从图 8 看到, 波形为互补 的。调压模块经实验验证, 具有较高的性价比及 可靠性。
表 1 交流斩波调压电路拓扑比较
双向电 拓扑 子开关 类型
控制复杂度
开关器件应力及
容量要求
关器件正负半波轮流工作, 故其容量要求较小, 承 受的关 断 电 压由 于 串 联 的 两个 开 关 管 分 压 而较 小, 在电压型开关器件还未成熟时, 对以晶体管为 全控器件的此类双向电子开关研究较多, 但由于 在感性、容性负载中存在斩波失控现象[ 10] , 所作的 研究主要集中于 如何 解决失 控问 题, 文献[ 11] 提出 四种解决方案, 但驱动信号的产生以及共地问题 的解决都比较复杂。而图 2- a、b 的双向电子开 关所构成的电路拓扑均不存在斩波失控问题, 与 图 2- c、d 的双向电子开关相比较, 图 2- a 、b 的双 向电子开关控 制简单。这也说 明了半 导体 器件在 电力电子技术中基 础性作用。并 联双向电 子开关 由于拓扑种类较少, 存在失控现象, 现其应用研究 很少。
通过以上比较发现, 单管反串联互补驱动电 路拓扑在 中、小功 率阻 性负 载应 用 中具 有较 大优 势, 由于热水器为纯阻性负载, 所以开发的调压模 块采用该拓扑且不采用后级输出滤波器, 电路原 理如图 3( 不含后级滤波器) 。调压模块最大输出
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交流斩波控制调压技术探讨
毛行奎, 张文雄 ( 福州大学, 350002)
摘要: 交流斩波控制调压技术是一种新型高性能的交流 调压技术, 在 中小交 流调压领 域获得 广泛应 用。本文通
过对现有文献上出现的此类电路 拓扑比较分析, 指出它们 各自优缺点、适 用场合 以及该技 术发展 方向。在比 较基础
上, 选用了适用于一新型热水器交流斩波控制调压电路拓扑, 实验验证了其适用性。
关键词: 交流; 斩控; 调压; 分析
中图分类号: T M 921 5
文献标识码: B
文章编号: 1004- 0420( 2004) 02- 0050- 04
Discussion of AC chopping control voltage regulation technology
图 1 交流斩波控制调压原理
可见, 输出电压由与输入电压同频的基波, 以 及 ( nN ∃ 1) ! 2 f ( n = 1. 2. 3 % %) 高次谐波组 成。通过一个低通滤波器, 易滤掉 { ( nN ∃ 1) 2 f t } 部分。 经滤波输 出为: uo( t) = D ui( t ) 即可通过 调节占空比 D , 线性调节输出电压。文献[6] 根据 Shannon 采样定理, 确定出滤波器截止频率, 并得 出该截止频率与占空比 D 无关。经输入滤波环 节, 也易得到高度正弦化输入电压、电流, 对电网 的谐波污染小。通过整流采样, 经负反馈即可达 到稳压效果。
Key words: A C; chopping co nt rol; v oltag e reg ulator ; analy sis
0 前言
相控整流技术作为 一个比较 成熟的交 流调压 技术, 已在许多场合取代电磁类调压技术, 获得广 泛应用。但是相控整流 技术具有 许多不可 克服的 缺陷, 如受触发角影响的低功率因数、慢的动态响 应 速度、输 出低次 谐波 丰富 以及 严重的 电网 谐波 电流污染等。交流斩波 控制调压 技术具有 仅取决 于负载的功率因数、快的动 态响应速 度、宽 的线性 调压范围以及输入输 出易于滤 波高度正 弦化等优 点。目前在中小功率的 交流调压 领域获得 广泛应 用, 如电动机调速、风机、泵机、高压静电除尘装 置[ 1, 2, 3, 4] 以及调光 电路中 等。本文 通过对 现有文 献上出现的交流斩波控制调压电路拓扑比较, 指 出它们各自的优缺点以及适用场合, 在此基础上, 选用了适 用于 一新 型热 水器 调 压模 块电 路拓 扑, 经实验及产品中试, 说明这种电路拓扑具有较高 的性价比及可靠性。
图 3 单 管反串联双向电子开关斩波控制调压电路图
图 2 双向电子开关
可见双向电子开关且有完美对称性, 其中图 2 - c 双向电子开关对称性不够, 只能用于不带零线 的三相交流斩波电 路中。以下就 对这几种 双向电
图 4 ( a ) 非互补驱动信号 ( b) 互补驱动信号
3 1 2 非互补信号驱动拓扑 文献[ 7] 提出了一类新型非互补驱动电路拓
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子开关构成电路拓扑做一比较分析。 3 1 单管反串联双向电子开关( 图 2- a)
由单管反串联双向 电子开关 构成的电 路如图 3, 施以不同控制信号, 形成常见拓扑有以下两种。 分别如下: 3 1 1 互补信号驱动拓扑
控制驱动信号如图 4- a, 图 3 的 T 1、T2 驱动信 号互补, T 1 斩波, T 2 续流。当 ui 为正半波时( 阻性 负载) , T11处于导通 斩波, T12处于同步整流。T 1 关 断时, T22同步整流续流, T21导通续流。该类拓扑只 需两路互补信号, 驱动信号产生与输入电压极性无 关, 无须采用同步技术对电压极性进行识别判断, 驱 动信号产生简单。感、容性负载时驱动 信号产生一 样, 只是 T 11、T12、T 21、T 22工作模式不一样。由于开 关过程的非理想性, 为了防止 T 1、T2 同时导通, 出 现短路现象, T1、T2 驱动信号须有一定死区间隔, 而 死区则导致感性负载续流受阻, 产生过电压, 易使开 关器件损坏, 为此须加缓冲吸收电路, 适用于中、小 功率阻性负载交流调压领域。
图 5 单管双向电子开关斩波控制调压电路图
为了提高电路变换效率, 软化开关轨迹, 提高 器件使用寿命, 文献[ 8] 提出了一种单 开关双振 ZCS 斩波调压技术电路。如图 6 该技术通过对滤 波、谐振参数综合考虑, 实现了开关导通和关断过 程在较大范围内的 零电流或 准零电流 切换。双振
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此外, 单管双向电子开关调制对象与直流斩 波相似, 在开关软化设计上, 可参照直流斩波缓冲 电路设计。文献[ 9] 提出的且有最简结构无源无损 软缓冲电路通用性很强, 可应用于此类电路中软 化开关过程, 提高效率。
图 6 单开关双振 Z CS 斩波控制调压电路图
3 3 双管并联双向电子开关( 图 2- c、d) 图 2- c、d 所示的两类电子开关, 由于两个开
3 几种交流斩波调压方式比较及应用
交流斩波调压对象为交流电压, 要求对正负 半波电压均能进行调制, 即开关器件必须为双向 的, 结构上具有对称性。从能量角度看, 开关器件 的通断控制着能量的流动及流向, 由于能量为不 能突变量, 它要求电路拓扑时刻提供能量连续通 路, 即电路具有双向性。常见的双向电子开关有 如下几种:
M AO Xing - kui, ZH ANG Wen- xiong ( F uzhou U niversit y , 350002)
Abstract: A C chopping voltage r egulato r is char act erized o f high perfo rmance, now being ex tensively applicable in small and medium vo ltag e reg ulat ion . By comparison of t he topolo gies have been g iv en in r efer ences, t he paper g iv es their adv antages and disadv antages , apply ing occasions respectiv ely , and developing t rend o f the technique, based on the compar iso n, one of the to polog y is chosen as v olt age reg ulator for a nov el w ater heater . T he applicability was ver i fied by the ex per iments.
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f t - sin( nN -
1)2 f t ] - ( 1- cos 2 n D ) [ cos( nN + 1) 2 f t
- cos( nN - 1) 2 f t ] }
记作 uo( t) = D Um sin 2 f t + { ( nN ∃ 1) 2 f t }