新颖的Buck型正弦交流稳压器

摘要：对Buck型正弦交流稳压器的电路拓扑、控制方案等进行了分析研究。工程样机试验结果表明，Buck型正弦交流稳压器具有强的负载适应能力、优良的稳压性能和高质量的输出正弦波形等优点。
关键词：正弦交流稳压器；Buck型：单极性移相控制

0 引言
    由于我国交流电网的电压波动较大，特别是边远农村地区，交流稳压电源已成为许多电子设备不可缺少的供电装置。按照工作原理，交流稳压电源可分为参数调整(谐振)型、自耦(变比)调整型、大功率补偿型和开关型等4种类型。本文介绍的Buck型正弦交流稳压器,与传统的上述4种类型相比，则具有负载适应能力强、稳压性能好及输出波形质量高等优点。

1 交流稳压器的典型电路
    参数调整(谐振)型交流稳压电源，其工作原理如图l(a)所示，是利用电路非线性元器件对电路中的电压和电流进行凋整，从而实现输出电压的稳定。该类交流稳压电源具有电路简单、稳定精度高、抗干扰性强和输入电压范围宽等优点，但存在输出波形THD高、电路元器件对工作频率非常敏感，输入功率因数很低，输出容量难以做大，无电气隔离等缺陷。

    自耦(变比)调整型交流稳压器，其工作原理如图1(b)所示，是以自耦变压(调压)器为基础实现稳压功能的。该类交流稳压器具有电路简单，输入电压范围宽等优点，但存在输出波形THD高，稳压精度较低，体积重量大等缺陷。
    大功率补偿型交流稳压电源，其工作原理如图1(c)所示，是把线性变压器串联在输入端和输出端的主电路中，控制该变压器初级电压的大小和极性，利用其次级电压对输入电压进行补偿，从而实现输出电压的稳定。该类交流稳压器具有输出容量大，对电网适应能力好，效率高等优点，但存在输出波形THD高，输出与输入无电气隔离，动态性能差等缺陷。
    开关型交流稳压电源，其工作原理如图l(d)所示，将输入电网电压整流后得到脉动直流电压，然后通过高频PWM技术逆变为交流电压，再经过相位跟踪和转换电路后获得与输入侧同频同相的补偿电压，加在输入与输出之间，从而实现输出电压的稳定。开关型交流稳压电源，具有稳压性能好，控制功能强，电路偏复杂，价格较高等特点。

2 新颖的Buck型正弦交流稳压器的电路拓扑
    新颖的Buck型正弦交流稳压器的电路结构，由输入周波变换器、高频变压器、输出周波变换器以及输入、输出滤波器构成，能够将一种不稳定的劣质交流电变换成另一种同频稳定的优质正弦交流电，具有高频电气隔离，电路拓扑简洁，两级功率变换(LFAC／HFAC／LFAC)，双向功率流，网侧功率因数高，功率密度高，变换效率高，负载适应能力强，音频噪音低，可靠性高等优点。其半桥全波式电路拓扑，如图2所示。该电路由输入、输出周波变换器，4个四象限功率开关(能够承受双向电压应力和双向电流应力)S1～S4构成。

    当电网向负载传递功率时，输入周波变换器将经LC输入滤波器后的低频交流电压调制成高频交流脉冲电压，经高频变乐器T隔离、传输后，输出周波变换器将其解凋成低频交流脉冲电压uAB，经输出滤波器后得到优质的恒压恒频交流电；当负载向电网回馈能量时，输出周波变换器将输出低频交流电压调制成高频交流脉冲电流，经高频变压器T隔离、传输后，输入周波变换器将其解调成低频交流脉冲电流，经输入滤波器后回馈到电网。

3 控制方案
    新颖的Buck型正弦交流稳压器，可采用单极性移相控制方案，其原理波形如图3所示。单极性移相控制，是指输入周波变换器右桥臂相对左桥臂的移相θ，并且输出滤波器的前端电压为单极性PWM波。通过调节移相角θ(0≤θ≤180°)，可实现输入电网电压、负载变化时输出电压的稳定与调节。

4 工程样机
    设计实例：全桥型式电路拓扑，单极性移相控制策略，额定容量P=1kVA，输入电压(交流50Hz)Ui=220(1±10％)V，输出电压Uo=110V／50Hz，开关频率fS=40kHz，最大占空比Dmax=0．8，变压器原、副边绕组匝比N1/N2=20／18，输入滤波电感，L=10μH，输入滤波电容C=10μF，输出滤波电感L=0．6mH，输出滤波电容Cf=10μF，功率开关均选用快速IGBTHGTG20N60A4D(20A／600V)。
    Buck型正弦交流稳压器工程样机的试验波形，如图4及图5所示。试验结果表明：

    (1)变压器绕组电压为双极性、三态的高频交流电压波；
    (2)输出周波变换器实现了零电压ZVS开关；
    (3)输出滤波器前端电压为单极性PWM波，频谱特性好；
    (4)输出波形质量高；
    (5)稳压性能好。
    试验结果与理论分析一致。

5 结语
    新颖的Buck型正弦交流稳压器的电路结构，由输入周波变换器、高频变压器、输出周波变换器以及输入、输出滤波器构成，能够将一种不稳定的劣质交流电变换成另一种同频稳定的优质正弦交流电，具有高频电气隔离、电路拓扑简洁、两级功率变换(LFAC／HFAC／LFAC)、双向功率流、网侧功率因数高、功率密度高、变换效率高、音频噪音低、可靠性高等优点。采用单极性移相控制方案，Buck型正弦交流稳压器具有强的负载适应能力，优良的稳压性能和高质量的输出正弦波形等优点。工程样机试验结果与理论分析一致。