斩控式纯正弦波交流调压器的设计

石理碧，李春生，王鲁杨，陈炯

（1.杭州市质量技术监督检测院，浙江杭州310019;2.安徽阜阳供电公司，安徽阜阳236000; 3.上海电力学院，上海 200090）

交流电压调节器广泛应用于电机启动与调速，交流稳压，调光等工业领域［1-4］.目前，对于交流调压的方法有两种：一是以交流变压器为核心的调压、降压手段，包括多抽头、自耦等，但存在体积大、调节精度低或有级调节、可靠性差等缺点;二是利用晶闸管相控的调压器，但因其采用相控方式而导致功率因数低、谐波大、动态响应慢、滤波器体积大等缺点.

近年来，绝缘栅双极结型晶体管（IGBT）因其性能优良而得到了广泛的应用.IGBT的显著优点是开关速度快、损耗小，所需驱动信号功率小，脉宽调制技术可借助高开关频率降低谐波的优点，通过IGBT得到了完美的体现.采用IGBT实现交流电压的斩波调节，替代传统的基于半控型器件SCR的相控技术，大大改善了交流电压调节器的性能.交流斩波控制调压技术具有输出功率因数仅取决于负载的功率因数、动态响应速度快、线性调压范围宽，以及输入输出电压易于滤波高度正弦化等优点.

根据这些优点，本文在交流斩波调压技术的基础上，设计了一种交流调压系统.整个系统采用DSP控制，大大简化了控制核心系统的复杂程度，提高了控制的精度和速度，使输出电压高度正弦化，并使电网侧和负载侧的功率因数基本相同，实现了对输出电压和电流的控制.

1 交流斩波技术的工作原理

交流动态电压调节电路的主电路由输入滤波、开关电路和输出滤波3部分组成，其结构如图1所示.

图1 交流斩波调压电路原理

图1中，滤波电感L1和滤波电容C1组成输入滤波，对电网中的高频分量进行吸收;双向开关S1和S2由两个IGBT共射极连接;电感L2用于存储能量并将其传递到输出端，滤波电容C2作为输出滤波电路.

由图1可以看出，在理想斩波方式下，斩波开关S1，S2和续流开关S3，S4交替工作，每个开关周期分为斩波导通和续流阶段.输出电压为：

可见，输出电压由输入电压的基波和高次谐波所组成.当开关频率足够高时，只要引入较小尺寸的输入、输出滤波器，即可将输入电流、输出电压中的谐波完全消除，同时不改变系统的功率因数.此时，输出电压为：

因此，可通过调整占空比，实现对输出电压的调节.

2 交流斩波的控制方式

交流斩波调压控制方式与开关器件的工作模式有关，一般分为互补控制和非互补控制两种.其中S1～S4为全控开关，一般用带反并联二极管的IGBT单元代替，S1和S2起斩波作用，S3和S4起续流作用.

2.1 互补控制方式

互补控制方式是指在一个开关周期内，斩波开关和续流开关必须有且只能有一个导通，要求驱动信号严格准确.由于电力电子器件开通和关断都需要一定时间，如果不加处理，就会在过渡阶段导致开关直通.因此，实际应用时必须在两个控制信号之间添加控制死区，即在过渡期间时需要两类开关同时关断.但由于死区的存在，容易使感性电路产生大的瞬时电压冲击，需要增加一定功率的缓冲电路.这不仅会使波形畸变、效率降低，而且如何设计缓冲电路也是难点.

2.2 非互补控制方式

非互补控制方式是指按不同规律分别控制斩波开关和续流开关的工作状态，避免出现互补控制中的直通所导致的短路现象，不需要或只需很小的缓冲电路即可.根据检测负载电流与否，又分为无电流检测和有电流检测两类.在无电流检测非互补控制方式的情况下，可以避免出现直通现象.但当输入电压和输出电流不同相时，该控制方式存在失控现象，即输出电压不是斩波波形.失控区的存在使输出电压包含较明显的3次和5次等低次谐波.而在有电流检测的非互补控制方式的情况下，当电压和电流不同相时，续流开关也做斩波工作，这样虽然消除失控现象，但控制较复杂.

3 交流斩波调压器的设计

根据上述交流斩波的原理，本文采用非互补控制方式对其进行控制，可使系统的谐波分量变小，并消除系统的失控区.整个系统由交流斩波电路、信号处理电路、逻辑控制电路和滤波电路组成，其原理结构如图2所示.

图2 交流调压器的原理

由图2可以看出，整个系统的工作过程分为以下5个步骤：一是对交流信号进行滤波，滤出电网中的高频分量;二是对电压波形进行测量，并将交流信号送到调压电路，利用斩波原理对交流电压进行斩波;三是利用输出滤波电路对其输出的斩波信号进行滤波，滤除高频分量，从而在负载上得到完整的正弦波电压信号，并对负载上的电流进行测量;四是将测得的电流信号送入DSP系统中，与基准信号进行对比，输出合理的PWM信号，将其送入逻辑控制电路;五是逻辑控制电路根据输入的PWM信号、电压信号和电流信号，输出合理的非互补式控制方式的控制信号，经IGBT的驱动电路对其进行驱动，最终实现交流斩波.

3.1 主电路分析

由图1可以看出，交流斩波主电路的输出电压波形受斩波频率大小的影响.为了了解其影响的程度，本文采用PSPICE软件对其进行了仿真分析.图3分别为斩波频率为5 kHz，10 kHz，20 kHz下的输出电压波形.

由图3可以看出，在电路其他参数不变的条件下，随着斩波频率的上升，其输出电压的波形质量越来越高，并且其输出电压的效率也在增加.因此，在制作交流斩波调压系统的过程中，可选择较大的斩波频率.

图3 不同斩波频率下的电压输出波形

3.2 控制逻辑电路的设计

在本设计中，对开关采用非互补方式进行控制，从而消除失控现象，这就需要对续流支路进行相应的斩波控制.为使系统更加可靠，本系统采用一路PWM波，并通过逻辑电路实现对4个IGBT的控制，其控制电路和波形见图4和图5.

图5中的U和I的曲线分别代表电压、电流经过零比较后的曲线，S1，S2，S3，S4的波形分别为IGBT1，IGBT2，IGBT3，IGBT4的控制信号波形.从控制波形可以看出，本文所设计的逻辑控制系统消除了斩波过程中的盲区，实现了整体斩波.

图4 逻辑控制示意

图5 4个IGBT的控制波形

通过分析斩波频率为10 kHz的交流调压器的波形发现，在输出功率为15 kW时，整个调压器的输出功率因数为99%，谐波THD小于2.5%.

4 结论

（1）本文所设计的逻辑控制电路满足非互补控制方式，实现了对输入电压波形的整体斩波，不存在不可控区域.

（2）通过仿真结果可以看出，斩波后的输出电压波形受斩波频率的影响，频率越高，输出电压的波形越好，效率越高.因此，在设计的过程中，可尽量增大斩波频率，以提高输出波形的质量，减少谐波含量.

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［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.

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（编辑苏娟）