龚氏半桥和全桥双向调节原理

龚秋声

（江西洪都航空工业集团老科协 ，南昌 330024）

补偿式交流稳压电源的斩波补偿电压调节需要双向调节，双向调压方式有两种：一种是由AC/ DC到DC/AC斩波变换调压，通过斩波信号实现双向调压，另一种是只需要一次AC/AC斩波变换调压。由于现有交流斩波电路不能通过斩波信号实现双向调压，并且斩波电路成本高，如何降低成本以及交流斩波双向调压新电路的发明及其调节原理，成为AC/AC交流斩波调压交流稳压电源研究的难点和热点问题。

教科书上交流斩波调压电路是只能调节输出交流电压的单向调压电路，其主控电子开关和续流电子开关都是用二极管和三极管组成的全控双向电子开关，由于大功率全控器件（IGBT等）构成的全控双向电子开关模块要比晶闸管构成的双向电子开关模块成本约高3倍，并且过载能力差。文献[1，2]用2个单向晶闸管反并联，替代教科书交流斩波电路中续流双向电子开关的龚氏交流斩波调压电路，使模块化交流斩波调压电路的功率器件成本降低了近1/3，极有利于交流斩波调压电路在交流稳压电源和UPS电源中的应用。现有交流斩波调节的交流稳压电源产品，实现升压和降压双向调节补偿电压要用4～12个双向电子开关倒相才能实现交流稳压。文献[3]仅用1块双IGBT模块、1块双单向晶闸管模块和1个带3个中抽头自耦变压器的交流稳压电源[4，5]，从而节省4～12个倒相双向电子开关，但是交流斩波器件要串联在交流输出电源输出电流主回路中，不太适合100 kVA以上交流稳压电源。因此，文献[6，7]发明与半桥和全桥逆变电路相对应的龚氏半桥和全桥双向交流斩波调压电路，从中提炼出的龚氏半桥和全桥双向调节原理是研究的一大进展。龚氏交流斩波电路、龚氏半桥和全桥双向调压电路和原理能否走进世界科学课堂和教科书[8,9]完全决定于它们在交流电压调节、交流稳压电源和UPS电源中的广泛应用。

1 龚氏半桥双向调节原理

1.1 龚氏交流斩波电路

图1所示为龚氏交流斩波调压电路，它由二极管D1、D2和三极管V1、V2组成的主控双向电子开关S1、单向晶闸管V3、V4反向并联组成的续流双向电子开关S2、电感电容组成的LC滤波器和控制电路组成。由S1和S2获得的交流斩波电压U41，经LC滤波器，在输出端3和1两端获得可调交流电压U31，与输入端2和1两端的交流电压U21的频率和相位相同。

龚氏交流斩波调压电路是对传统的交流斩波调压电路的重大改进，成为当代中国大中专院校电工技术教学的两大发明之一[5]。传统交流斩波调压电路的主控双向电子开关S1和续流电子开关S2都是由2个二极管和2个三极管组成的双向电子开关，而本文用图1所示的2个单向晶闸管V3、V4反向并联的双向电子开关替代传统由2个二极管和2个三极管组成的续流双向电子开关S2。由于采用双IGBT模块组成的双向电子开关的成本要比采用双SCR模块组成的双向电子开关的成本高3倍，因此，龚氏交流斩波电路器件成本比传统交流斩波电路器件成本约低1/3，并且可靠性更好，因此，龚氏交流斩波调压电路将取代传统的非互补交流斩波调压电路。

应特别指出：图1龚氏交流斩波调压电路中,除由2个二极管和2个三极管反向组成的主控双向电子开关S1之外，还可用1个三极管的阴极和阳极分别连接在4个二极管桥式整流输出正端和负端的双向主控电路开关代替S1，它就是另一种龚氏交流斩波调压电路。

图1 龚氏交流斩波调压电路Fig.1 Gong's AC chopping voltage-regulation circuit

1.2 龚氏半桥交流斩波双向调节电路

由于传统交流斩波调压电路和龚氏交流斩波调压电路都只能实现输出交流电压，同相位调节电压大小，要同时实现同相位和反相位调节电压大小，就需要增加4个双向电子开关进行转换才能实现，也就是说实现正反相位的交流斩波调压要使用6个双向电子开关，这就会使器件成本成倍增加，因此，需要发明成本更低的交流斩波双向调压电路。

图2所示为2014年发明的龚氏半桥交流斩波双向调压电路之一，它由倒相自耦变压器T绕组中间抽头0端上的交流电压U01与交流斩波输出电压U31进行比较，在0、3两端输出电压U30实现正U20到负U01之间双向交流电压的调节。图2主控双向电子开关S1由2个二极管D1、D2和2个三极管V1、V2组成，续流双向电子开关S2由2个晶闸管V3、V4组成，斩波交流电压U41经LC滤波器获得的交流电压U31与U21、U20、U01的波形和频率相同。

图2龚氏半桥交流斩波双向调压电路工作原理如下：主控双向电子开关S1和续流双向电子开关S2的交流斩波电压U41，经过LC滤波后的交流电压U31与自耦变压器T绕组中间抽头0上交流交流电压U01进行比较。设自耦变压器T的2个绕组W11、W12匝数相同，则自耦变压器T中间抽头是中心抽头，上下2个绕组感应电压相等，即有：U20= U01=0.5 U21。

（1）在主控双向电子开关通断比大于1时，4、1端之间斩波输出电压U41，经LC滤波后获得交流电压U31＞U01，斩波电路输出端（3、0端）交流电压U30，0端为负，3端为正。

（2）在主控双向电子开关通断比小于1时，4、1端之间斩波输出电压U41经LC滤波后获得的交流电压U31＜U01，斩波电路输出端（3、0端）交流电压U30，0端为正，3端为负。

（3）在主控双向电子开关通断比等于1时，4、1端之间斩波输出电压U41经LC滤波后获得的交流输电压U31=U01，斩波电路输出端（0、3端）交流电压U30等于0。

综上可知：只要调节龚氏半桥交流斩波双向调压电路中的主控双向电子开关S1的斩波通断比，就能调节2个输出端（3、0端）的交流电压的大小和相位。因特别指出：

（1）将图2中2个二极管和2个三极管组成的双向主控电子开关S1换成1个三极管的集电极和发射极分别连接4个二极管桥式整流输出正端和负端组成的主控双向电子开关，可获得第2个龚氏半桥交流斩波双向调压电路。

（2）将图2中2个单向晶管V3、V4反并联组成的续流双向电子开关S2换成与S1相同的2个二极管和2个三极管组成的双向续流双向电子开关，可获得第3个龚氏半桥交流斩波双向调压电路。

（3）将图2中2个二极管和2个三极管组成的双向主控电子开关S1换成1个三极管的集电极和发射极分别连接4个二极管桥式整流输出正端和负端组成的主控双向电子开关，且将2个单向晶管V3、V4反并联组成的续流双向电子开关S2换成与S1相同的2个二极管和2个三极管组成的双向续流双向电子开关，可获得第4个龚氏半桥交流斩波双向调压电路。

由此可知，龚氏半桥交流斩波双向调压电路有4个电路，这4个龚氏半桥交流斩波双向调压电路的正反向调压范围都只有输入交流斩波电压的一半，在输入交流电压是单相220 V时，输出交流压电调压范围是0～±110 V，为了扩大输出交流电压的调压范围，减少双向电子开关的电流容量，只要在图2绕组W11或W21上增添1个抽头（5端），或者将交流输入电压5和1两端改为0和1两端，使输入交流斩波电路的交流电压获得升压，可得图3所示的1个龚氏升压半桥交流斩波双向调压电路，在抽头5和1两端输入单相220 V的交流电压时，龚氏半桥交流斩波输入交流电压就可提高到380 V（或440 V），斩波输出电压的调压范围就提髙到0～±190 V（或0～±220 V），在调节功率相同时，就可降低器件的额定电流容量，降低交流斩波调压电路成本。如上面特别指出所述，只要选不同器件组成S1和S2，又可获另3个龚氏升压半桥交流斩波双向调压电路。

图3 龚氏升压半桥交流斩波双向调压电路Fig.3 Gong's Boost half-bridge AC chopping bidirectional voltage-regulation circuit

1.3 龚氏半桥双向波调节原理

上述4个龚氏半桥交流斩波双向调压电路和4个龚氏升压半桥交流斩波双向调压电路中的两个双向电子开关S1和S2的控制方式：有的只能互补工作方式，有的只能非互补工作方式，有的既可互补工作方式又可非互补工作方式，但它们实现双向调节原理相同，都是调节龚氏半桥交流斩双向调压电路中的主控双向电子开关S1的通断比达到双向调节的目的。由此提炼出图4所示的龚氏半桥双向调节原理，它包含各种已知和未知的互补和非互补控制方式的龚氏半桥双向调节原理。

由图4龚氏半桥双向调节原理可知：倒相变压器T中间抽头0端将自耦变压器绕组分成上下2个串接绕组W11、W12，将输入交流斩波电路的输入电压分成2个串接电压U20和U01，在绕组W11和W12匝数相同时，交流电压U20=U01=1/2 U21，主控双向电子开关S1和续流双向电子开关S2的交流斩波电压U41经LC滤波获得的交流电压U31的波形和相位，与交流电压U21、U51和U01相同。将交流电压U31与U01进行比较，在2个绕组的串接端0端与交流斩波调压电路1个输出端3端之间输出交流电压就可获得正反可调的电压U30。其调节原理如下：①主控双向电子开关S1的通断比为1时，斩波调压电路3和1两端输出电压U31=1/2 U21，与绕组W12上电压相等，输出两端（3、0端）电压为0；②主控双向电子开关S1的通断比大于1时，斩波调压电路3和1端两端输出电压U31＞1/2 U21，它比绕组W12上电压大，输出两端（3、0端）电压，3端为正，0端为负。③主控双向电子开关S1的通断比小于1时，斩波调压电路3和1端两端输出电压U31＜1/2 U21，它小于绕组W12上电压，输出两端电压3端为负，0端为负。因此，主控双向电子开关S1的通断比在最大到最小之间调节时，龚氏半桥双向调压电路两个输出端（3、1端）输出电压可实现双向0～±1/2 U21的调节。主控双向电子开关S1是全控双向电子开关，包括2个二极管和2个三极管组成的全控电子开关和4个二极管和1个三极管组成的全控双向电子开关。续流双向电子开关S2包括2个二极管和2个三极管组成的全控电子开关、4个二极管和1个三极管组成的全控双向电子开关和2个单向晶闸管反并组成半控双向电子开关。S1和S2的控制方式有非互补控制和互补控制2种。

图4 龚氏半桥双向调节原理Fig.4 The schematic of Gong's half-bridge bidirectional regulation

应特别指出：图4中，倒相自耦变压器T的2个串联绕组W11和W12就相当于逆变电路中的2个串联电容，不同之处在于：半桥逆变电路中2个电容器必需相同，而图4中的倒相变压器的2个串联绕组的匝数可以相同，也可以不相同，而不相同时，正向调压范围和反向调压范围不同，在实践中也存在这种需求。例如：要求补偿式交流稳压电源的稳压范围：220 V+15%到220 V-20%或者220 V+ 25%到220 V-15%等。

1.4 龚氏半桥双向调节原理的应用

龚氏半桥双向调节原理可广泛用于各种需要交流电压双向调节的仪器和设备。

1.4.1 在单相AC/AC交流斩波稳压电源中应用

图5所示为一种应用龚氏半桥双向调节原理设计的单相龚氏半桥双向调节交流稳压电源，它用1个单相升压倒相自耦变压器T2的2个绕组W11、W12提供龚氏半桥双向调节原理中的输入交流斩波电压U61，经S1，S2交流斩波的输出电压U51，通过LC滤波后在4、1端之间获得交流电压U41与输入交流电压U21、U61=2 U21的波形相同，在升压倒相自耦变压器T2绕组中心抽头2端，也即交流输入电压2端与交流斩波电路输出端4端之间连接补偿变压器T1初级绕组W1，依据龚氏半桥双向调节原理，只要自动调节双向电子开关的通断比就能在补偿变压器T2次级绕组W2上获得所需双向补偿电压，而使输出2端（3、1端）获得稳定电压。

图5 单相龚氏半桥双向调节交流稳压电源Fig.5 Single-phase stable AC power supply with Gong's half-bridge bidirectional regulation

1.4.2 在三相AC/AC交流斩波稳压电源中应用

图6所示为一种应用龚氏半桥双向调节原理设计的三相龚氏半桥双向调节交流稳压电源，由图6可知：三相龚氏半桥双向调节交流稳压电源，只要1个或3个自耦变压器T2、1个或3个补偿变压器T1、3个双IGBT模块和3块双单向SCR模块及其控制电路组成，就达到连续无级、无触点不需要电子开关倒相的补偿式三相交流稳电源。

在单相和三相龚氐半桥双向调节交流稳压电源中增添双向电子开关，或者增添全桥变換电路和蓄电池就可获得不同形式的UPS电源。因此，它们也是单相和三相补偿式交流稳压电源和UPS电源研究方面取得的研究成果。

图6 三相龚氏半桥双向调节交流稳压电源Fig.6 Three-phase stable AC power supply with Gong's half-bridge bidirectional regulation

1.4.3 与三相智能型无触点交流稳压电源对比

应用龚氏半桥双向调节原理设计的三相龚氏半桥双向调节交流稳压电源的结构，与我国目前很多厂家生产的智能型无触点三相交流稳压电源相类似。以某公司生产量最大的100 KVA分相调节的三相交流稳压电源为例做比较说明。

智能型无触点三相交流稳压电源依精度要求不同，所使用双晶闸管倒相调节模块数量也不同，相同功率输出的交流稳压电源成本也不同，稳利达电源用21块双晶闸管模块，成本较低，而华润电气用30块双晶闸管模块成本较高。现以用图6所示的三相龚氏半桥双向调节交流稳压电源与稳利达三相智能型无触点交流稳压器做100 kVA容量的成本和性能分析对比如下：

（1）成本对比：两种交流稳压器的外壳、控制版、6 kVA和9 kVA补偿变压器、3 kVA和45 KVA倒相变压器等成本相同；智能型无触点交流稳压电源使用21块100 A双SCR转换模块，而龚氏半桥双向调节交流稳压电源仅使用6块模块，即3块100 A双IGBT模块和3块100 A双SCR模块，比智能型减少15块。基于目前100 A双IGBT模块价格约为100 A双SCR模块价格的3倍，因此，三相龚氏半桥双向调节交流稳压电源模块总成本比三相智能型交流稳压电源模块总成本节省9块100 A双SCR模块的成本，这与龚氏半桥双向调节交流稳压电源中要新增加的散热器、风扇等材料的成本相接近。

（2）性能和性价比对比：龚氏半桥双向调节交流稳压电源是连续无级无触点调节补偿电压的交流稳压电源，而智能型无触点交流稳压电源是跳跃式非连续有级调节的无触点交流稳压电源，即使调压自耦变压器增加更多抽头和增加更多的转换双SCR模块，其稳压精度、性价比和可靠性都无法与龚氏半桥双向调节交流稳压电源相比。

由上分析可知：应用龚氏半桥双向调节原理设计的三相龚氏半桥双向调节交流稳压电源的精度、性能和性价比远远高于现有智能型无触点三相交流稳压器，它必将取代智能型无触点三相交流稳器，并且前者是我国自主研制，有完全知识产权与世界各国不相同，有中国特色的连续无级无触点交流稳压电源产品，也是全新一代高性能高性价比的新产品，将是补偿式交流稳压电源走向国内外的第一品牌产品。

2 龚氏全桥双向调节原理

龚氏半桥双向调节原理虽可实现双向调压，但是不论是正向还是反向调压，其范围都只有输入斩波电压的一半，并且还要有1个倒相自耦变压器，为扩大双向调压范围和取消倒相自耦变压器，发明了一种与全桥逆变电路和原理相对应的龚氏全桥双向调节电路和原理。

2.1 龚氏全桥双向调节原理

龚氏全桥双向调节原理是从多个龚氏交流斩波双向调节器的调节电路中提炼出来的原理[7]，如图7所示。该电路是由2个交流斩波调压电路相并联，在2个交流斩波调压电路的2个非公共输出端0、3端输出双向调压电压，4个双向电子开关连接成全桥，其连接方式与全桥逆变电路类似，将其电路称为龚氏全桥双向交流斩波调压电路，其调节原理称为龚氏全桥双向调节原理，由4个双向电子开关S1～S4及其控制电路组成，它与全桥逆变电路的差别在于：全桥逆变电路输入工作电压是直流电压，而龚氏全桥双向调节电路中输入工作电压是交流电压，因此，龚氏全桥双向调节电路中使用的电子开关都是双向电子开关，由于交流斩波电路使用的主控双向电子开关必需是全控双向电子开关，因此4个双向电子开关至少有2个全控双向电子开关S1、S3或S1、S2，另2个双向电子开关可由二极管和三极管等元器件组成的全控双向电子开并，或2个单向晶闸管反并联的双向电子开关，或双向晶闸管，或固体交流电子开关。它们有多种组合形式和多种斩波控制方法获得与输入端（2、1端）交流电压U21同相和反相的连续可调交流斩波电压U03，输出端（0、3端）的交流斩波电压U03，经LC滤波后就可获得与交流输入电压同相和反相的可调交流电压，因此，可广泛用于补偿式交流稳压电源和UPS电源。

龚氏全桥交流斩波双向调节电路按4个双向电子开关类型和控制不同方式分两大类：采用换相控制和采用通断比反向调节控制。

2.2 采用换相控制实现双向输出电压调节

工作原理如下：由S1主控、S2续流、S4短路、或S4主控、S3续流、S1短路组成的1路交流斩波电路，在输出端（0、3端）获得的可调交流斩波电压U03，经外部LC滤波后的可调交流电压与输入交流电压同相位。由S3主控、S4续流、S2短路、或S2主控、S1续流、S3短路组成的另1个交流斩波电路，在输出端（0、3端）获得的可调交流斩波输出电压U03，经外部LC滤波后,可调交流电压与输入交流电压反相位。因此，只要调节S1和S3或S1和S2双向电子开关斩波通断比和控制S4和S2或S1和S3通断比就能实现双向交流斩波电压的调节，此双向斩波电压通过外部LC滤波后的可调交流电压与输入交流同相位或反相位。双向电压调节范围是龚氏半桥交流斩波双向调节电路的2倍，其电路结构可看成用2个双向电子开关组成的1个交流斩波调压电路替代龚氏半桥斩波双向调节原理图中的倒相自耦变压器T，这与用2个串联电子开关替代半桥逆变电路中的2个串联电容，使半桥逆变成为全桥逆变相对应类同。

图7 龚氏全桥双向调节原理Fig.7 Schematic of Gong's full-bridge bidirectional regulation

2.3 采用通断比反向调节控制实现双向输出电压调节

工作原理如下：2个交流斩控调压电路的交流斩控通断比向相反方向调节的交流斩控电路，在S1主控通断比最大、S3主控通断比最小时，输出端（0、3端）获得的交流斩波电压U03，经外部LC滤波后的交流电压与输入交流电压同相位并达到最大。反之在S1主控通断比最小，S3主控通断比最大时，输出端（0、3端）获得的交流斩波电压U03，经外部LC滤波后的交流电压与输入交流电压反相位并达到最大。在S1主控和S3主控通断比等于1时，输出端（0、3端）获得的交流斩波电压U03，经外部LC滤波后的交流电压电压等于0。

由上可知，只要对图7所示龚氏全桥双向调节电路中的2个主控开关S1和S3通断比相反方面连续无级调节，在输出端（0、3端）外加LC滤波就能获正反相位的连续无级可调交流电压。

2.4 应用举例

应用龚氏全桥交流斩波双向调节理原设计的单相交流稳压电源有：补偿电压采用工频变压器和补偿变压器采用高频变压器两大类，每类都有多种电路。

图8是应用龚氏全桥双向调节原理设计的单相龚氏全桥双向调节工变补偿交流稳压电源，交流输入电压两端连接有2个二极管和2个三极管组成的2个主控双向电子开关S1和S2，采用倒相控制方法，即由S3主控、S4续流、S2短路组成的交流斩波电路，输入交流电压经主控开关S3斩波、S4续流和LC滤波，在滤波电容C上获得与输入交流电压同相位的可调交流电压。由S1主控、S2续流、S4短路组成的交流斩波电路，输入交流电压经主控开关S1斩波、S2续流和LC滤波，在滤波电容C上获得与输入交流电压反相位的可调交流电压。由于工频补偿变压器T初级绕组W1与滤波电容C并联，因此，补偿变压器T次级W2获得双向可调的补偿电压。由此可知，只要调节2个主控双的开关S1、S3斩波通断比和变换S4、S2短路控制信号就能在补偿变压器T次级绕组W2获得双向所需的补偿电压，使输出端（5、1端）电压达到稳定。

图9也是应用龚氏全桥双向调节原理设计的单相龚氏全桥双向调节工变补偿交流稳压电源，它采用通断比反向调节实现双向电压调节，由S1主控、S2续流L1、C1滤波组成第1个交流斩波调压电路，在输出端0与1端之间获得与输入交流电压波形相同的可调交流电压；由S3主控、S4续流，LC滤波组成另一交流斩波调压电路，在输出端3与1端之间获得与输入交流电压波形相同的可调交流电压。补偿变压器T初级绕组W1连接在2个交流斩波电路的2个非公共端0与3端之间。2个交流斩波电路同时工作，2个主控双向电子开关S1和S2的通断比向相反方向调节，即S1的通断比从最大调节到最小的同时，S2的通断比从最小调节到最大，当S1和S2的通断比相同时，2个交流斩波电路的输出端0与3端电位相同，在S1通断比大于S3通断比时，输出0端比输出3端电压髙，在S1通断比小于S3通断比时，输出0端比输出3端电压低，因此，只要用相反方向调节调2个交流斩波的主控双向电子开关S1和S3导通比，就能通过补偿变压器T的初次级绕组W1、W2实现双向补偿电压的连续无级无触点调节，使输出端（6、1端）电压达到稳定。

图8 单相龚氏全桥双向调节工变补偿交流稳压电源Fig.8 Single-phase stable AC power supply with powerfrequency compensation transformer and under Gong's full-bridge bidirectional regulation

图9 单相龚氏双向调节工变补偿交流稳压电源Fig.9 Gong's single phase bidirectional regulated& stabilized AC power supply with industrial frequency compensation

图10是应用龚氏全桥双向调节原理设计的单相龚氏全桥双向调节高变补偿交流稳压电源，它在S1主控、S2续流、S4短路时，连接在2个交流斩波电路2个非公共输出端的高频补偿变压器T次级绕组W2感应的交流斩波电压，经LC滤波获得与输入交流电压同相的补偿交流电压。在S2主控、S1续流、S3短路时，连接在交流斩波输出2端的高频补偿变压器T次级绕组W2感应的交流斩波电压经LC滤波获得与输入交流电压反相补偿交流电压。因此，只要互换控制S1和S2控制信号，和互换双向晶闸管V5和V6的通断信号，就能通过连接在输出0端与输出3端的高频补偿变压器T获得双向所需的补偿电压，使输出端（4、1端）交流电压稳定。

图10 单相龚氏全桥双向调节高变补偿交流稳压电源Fig.10 Single-phase stable AC power supply with highfrequency transformer compensation and under Gong's full-bridge bidirectionally regulation

3 结语

本文用2个单向晶闸管做续流双向电子开关，使模块成本降低了近75%，斩波电路模块的总成本仅为传统斩波电路总成本的70%左右，这为交流斩波电路的广泛应用创造了有利条件。2014年发明的多个半桥交流斩波双向调节电路与2015年发明的多个全桥交流斩波双向调压电路，它们都是AC/ AC斩波变换领域基础电路。龚氏半桥和全桥交流斩波双向调节原理可广泛用于UPS电源和交流稳压电源的设计制造，可以节省4～12个倒相电子开关，不但使成本大幅度降低，而且使电路结构简化，可靠性提高。龚氏全桥交流斩波双向调节原理虽比龚氏半桥交流斩波双向调节原理多用2个双向电子开关，但节省1个倒相自耦变压器，而且双向交流补偿电压调节范围增大到2倍。

UPS电源和交流稳压电源社会应用极为广泛，本发明和创立的龚氏半桥和全桥交流斩波双向调节原理和电路，将广泛应用于UPS电源和交流稳压电源设计制造，为开创具有中国特色、有完全自主知识产权的交流斩波调节补偿电压类的UPS电源和补偿式交流稳压电源提供了技术支撑，为我国自主设计研制的UPS电源和补偿式交流稳压电源进入世界先进行列创造了条件。

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