某機(jī)載三相交流穩(wěn)壓電源的研制

摘要：介紹了某機(jī)載三相交流穩(wěn)壓電源的研制情況。對(duì)電源電路進(jìn)行了分析、計(jì)算和計(jì)算機(jī)仿真。應(yīng)用高頻脈寬調(diào)制斬波調(diào)感技術(shù)，以MOS場(chǎng)效應(yīng)管取代了傳統(tǒng)的雙向晶閘管，用脈寬調(diào)制取代了相控技術(shù)。通過(guò)對(duì)電路的優(yōu)化設(shè)計(jì)，降低了輸入諧波電流。

關(guān)鍵詞：諧振；交流穩(wěn)壓；計(jì)算機(jī)仿真

Development of Air-borne3?phase AC Power Regulator

MENG Ying-wu,DING Yu

Abstract:The development of air-borne 3-phase AC power regulator is introduced. The analysis, calculation, and computer emulation of the circuit are provided. In order to reduce the AC source current deformation, the replacement of the thyristor controlled reactor by high freguency pulse width controlled reactor and the substution of MOSFET for TRIAC are used.

Keywords:Resonance;ACregulation;Computeremulation

1  引言

    本文介紹的機(jī)載交流穩(wěn)壓電源的主要功能是為航空電子系統(tǒng)中的眾多傳感器提供交流激磁信號(hào)，要求性能穩(wěn)定、小型輕量、高效率、高可靠性。大約在上世紀(jì)70年代，國(guó)外先進(jìn)的作戰(zhàn)飛機(jī)上使用的交流穩(wěn)壓電源，采用了變壓器補(bǔ)償式穩(wěn)壓技術(shù)，其原理是用多個(gè)補(bǔ)償變壓器組合，通過(guò)控制電路，切換補(bǔ)償變壓器進(jìn)行補(bǔ)償，補(bǔ)償是有級(jí)的。而且所需的補(bǔ)償變壓器和切換開關(guān)較多，電路較復(fù)雜，補(bǔ)償精度低。由于使用的中頻補(bǔ)償變壓器較多，交流穩(wěn)壓電源的體積、重量大。

    近幾年來(lái)，國(guó)內(nèi)關(guān)于交流穩(wěn)壓電源的研究較為活躍，其研究的主要內(nèi)容一種是線性諧振型技術(shù)及其改進(jìn);另一種是開關(guān)型交流穩(wěn)壓電源。線性諧振型（也稱正弦能量分配器），它是通過(guò)LC諧振參量的改變使交流輸出電壓得到調(diào)整，以連續(xù)可調(diào)式獲得優(yōu)越的穩(wěn)壓性能。主電路中不含電力半導(dǎo)體器件，線路簡(jiǎn)單、可靠性高。但是由于存在輸入電壓范圍不夠?qū)?，源端空載無(wú)功電流和諧波電流較大，以及容易發(fā)生振蕩等缺點(diǎn)，使其發(fā)展和應(yīng)用受到了限制，特別是在大功率場(chǎng)合的應(yīng)用比較少。開關(guān)型交流穩(wěn)壓電源采用了先進(jìn)的高頻開關(guān)電源技術(shù)，可以減小體積、重量、節(jié)省銅鐵材料，具有效率高，響應(yīng)速度快等優(yōu)點(diǎn)。它先將交流整流成脈動(dòng)的直流，再通過(guò)高頻脈寬調(diào)制（PWM）技術(shù)，將脈動(dòng)的直流逆變成交流。再通過(guò)相位跟蹤與轉(zhuǎn)換電路取得與輸入側(cè)同頻同相的補(bǔ)償電壓，加在輸入與輸出之間，使輸出電壓穩(wěn)定。這項(xiàng)技術(shù)成為當(dāng)今交流穩(wěn)壓電源技術(shù)發(fā)展的方向。但是，由于開關(guān)型交流穩(wěn)壓電源控制電路較復(fù)雜，國(guó)內(nèi)微電子技術(shù)及其工藝技術(shù)發(fā)展較慢，目前還不可能提供專用控制芯片，所以難于推廣。

    本文結(jié)合型號(hào)任務(wù)的研制，對(duì)線性諧振型交流穩(wěn)壓電源進(jìn)行了研究，用先進(jìn)的高頻開關(guān)MOS場(chǎng)效應(yīng)管取代傳統(tǒng)的雙向晶閘管，用高頻PWM取代相控技術(shù)。通過(guò)對(duì)電路的優(yōu)化設(shè)計(jì)，減小了諧波電流。調(diào)試和試驗(yàn)表明，該產(chǎn)品的控制電路簡(jiǎn)單，波形失真度小，性能穩(wěn)定，已經(jīng)用于某型號(hào)任務(wù)中。

2   電路設(shè)計(jì)及計(jì)算機(jī)仿真

2.1   電路基本原理

    該交流穩(wěn)壓電源的核心是單相36V400HzAC/AC穩(wěn)壓電路。它采用的是高頻PWM斬波器調(diào)感法構(gòu)成的新型交流穩(wěn)壓電源電路，具有產(chǎn)生諧波小，抗各類電磁干擾，穩(wěn)壓精度高，動(dòng)態(tài)響應(yīng)快等諸多優(yōu)點(diǎn)。其電路原理如圖1所示。

圖1  高 頻 PWM斬 波 器 式 穩(wěn) 壓 原 理 圖

    圖1中由L1，V1～V4，C3，V等構(gòu)成高頻PWM斬波電路。為減小MOS場(chǎng)效應(yīng)管V的開關(guān)損耗，加入了由電阻，電容和二極管等元器件組成的軟開通關(guān)斷緩沖網(wǎng)絡(luò)（RCDNET）。

    圖1中的電感L1和高頻PWM斬波支路，可用一等效電感Lx來(lái)表示。Lx是PWM斬波器中功率場(chǎng)效應(yīng)管V導(dǎo)通占空比的函數(shù)。經(jīng)推導(dǎo)[3]可得：

                          Lx=L1/D           (1)

式中：D為V管的導(dǎo)通占空比。

    同理，圖1中LxC2并聯(lián)電路的阻抗Z也是D的函數(shù):

                  Z=jLxω/(1－ω2C2Lx)     （2）

式中：ω為輸入源Uin的角頻率。

    當(dāng)輸入電壓降低或負(fù)載加重引起輸出電壓降低時(shí)，D增大，LxC2支路呈感性，支路電流在線性電感N2線圈上的壓降與Uin同相，耦合到N3線圈上的電壓UN3與Uin串聯(lián)相加后補(bǔ)償了輸入電壓的不足。

    當(dāng)輸入電壓升高或負(fù)載減輕引起輸出電壓升高時(shí)，D減小，LxC2支路呈容性，支路電流在線性電感N2線圈上的壓降與Uin反相，耦合到N3線圈上的電壓UN3與Uin串聯(lián)相減后抵消了過(guò)剩的輸入電壓。

    由以上分析可知，通過(guò)對(duì)輸出電壓進(jìn)行采樣閉環(huán)反饋控制導(dǎo)通占空比D的大小，自動(dòng)改變N3線圈上電壓的大小和相位，可實(shí)現(xiàn)輸出電壓的穩(wěn)定。

2．2  電路參數(shù)選擇

    將L1和高頻PWM斬波器支路等效為一電感Lx后，則圖1電路為一線性電路，將其中的耦合電感L2，L3進(jìn)行去耦等效，并忽略L4，C1濾波支路后，對(duì)等效電路運(yùn)用基爾霍夫定律列回路方程可解得:

  =(3)

式中：Lm=Lx/(1－ω2C2Lx)。

    由于Uin與Uout基本同相，故忽略兩者的相位差可得：

  ||=·||(4)

式中：M=為耦合電感L2，L3的互感。

    根據(jù)式（4）所提供的輸入和輸出電壓之間的函數(shù)關(guān)系式，即可根據(jù)系統(tǒng)需求確定L1、L2、L3，從而設(shè)計(jì)出滿足性能要求的主電路。

    在實(shí)際的電路參數(shù)選擇中，為加快設(shè)計(jì)速度，提高設(shè)計(jì)質(zhì)量，采用根據(jù)工程估算并結(jié)合仿真軟件進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)的方法。 [!--empirenews.page--]

    根據(jù)以下原則估算L1，L2，L3等參數(shù)：

    1)由電感L2，L3，C2等構(gòu)成正弦能量分配網(wǎng)絡(luò)，其自然諧振頻率應(yīng)設(shè)在輸入源頻率的1.3～2倍之間[3]，以保證源頻率變化時(shí)對(duì)網(wǎng)絡(luò)影響較小，在本設(shè)計(jì)中由于源頻率為400Hz，故網(wǎng)絡(luò)諧振頻率應(yīng)取為520～800Hz；

    2)N3/N2是決定輸入電壓范圍的主要參數(shù)，N3/N2過(guò)小時(shí)，輸入電壓的范圍不夠?qū)?，N3/N2過(guò)大時(shí)，則導(dǎo)致系統(tǒng)的瞬態(tài)響應(yīng)特性變壞，負(fù)載適應(yīng)能力下降，實(shí)際的N3/N2取0.4～0.7，可獲得良好的瞬態(tài)響應(yīng)性能和負(fù)載特性等指標(biāo)；

    3)電路中由于諧波失真等指標(biāo)的限制，L1不能過(guò)小。在實(shí)際的開關(guān)控制中，由于采用的是高頻PWM斬波方式，輸出的高次諧波只要用小容量的電容器C3即可消除。這樣當(dāng)源頻率為400Hz時(shí)，取PWM開關(guān)頻率為80kHz，主電路中L1=20mH時(shí)C3=0.1μF即可濾掉高頻斬波器中的高次諧波；

    4)在主電路中，N4和C1支路具有濾波和減少電流波形失真的功能。電容C1的取值不可過(guò)大。當(dāng)C1值過(guò)分增大時(shí)，電路的調(diào)節(jié)極性將逆轉(zhuǎn)，不再具有穩(wěn)壓功能。

2．3  電路計(jì)算機(jī)仿真

    根據(jù)上述原則估算得出一組參數(shù)值后，在輸出為AC36V400Hz50VA的條件下，運(yùn)用“IsSpice4"模擬及數(shù)字混合電路仿真軟件對(duì)主電路進(jìn)行仿真。仿真電路如圖2所示。

圖2  主 電 路 的 仿 真 電 路 圖

    在仿真電路中，分別用電壓源V2和V1等效輸入源和PWM高頻脈沖源，輸出負(fù)載用一純電阻等效。在輸入分別為AC 29V 400Hz和AC 45V 400Hz的條件下，電路輸入和輸出的仿真波形如圖3所示。

(a)輸 入 為AC 45V 400Hz時(shí) 仿 真 波 形

(b)輸 入 為AC 29V 400Hz時(shí) 仿 真 波 形

圖3  仿 真 輸 入 與 輸 出 電 壓 波 形

    由以上仿真結(jié)果可以看出，當(dāng)輸入源從AC 29～45V 400Hz變化時(shí)，輸出始終穩(wěn)定在AC 36V 400Hz上。 [!--empirenews.page--]

3  結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

    結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)主要考慮機(jī)械強(qiáng)度和散熱。本文介紹的三相交流穩(wěn)壓電源為箱體結(jié)構(gòu)，變壓器及電感安裝在箱體上以加強(qiáng)機(jī)械強(qiáng)度和散熱效果。控制電路為插件形式，提高了電路的互換性和可維護(hù)性。電氣連接通過(guò)接插件和母板連接，接口的電氣連接通過(guò)前面板航空連接器，實(shí)現(xiàn)機(jī)箱內(nèi)外電氣連接。鎖緊裝置將插件和機(jī)箱連為一起。

4  實(shí)驗(yàn)結(jié)果

    由于高頻PWM斬波調(diào)感式穩(wěn)壓電路具有各相電壓可以分別調(diào)整的特點(diǎn)，故容易制成三相平衡式交流穩(wěn)壓電源。依據(jù)以上電路制成了總輸出功率為150VA 400Hz的三相交流穩(wěn)壓電源。其中，開關(guān)MOS場(chǎng)效應(yīng)管使用了宇航級(jí)器件，PWM使用了軍品883級(jí)器件，線性電感使用了環(huán)形帶氣隙的新型材料和特殊工藝。實(shí)測(cè)的三相交流穩(wěn)壓電源在輸入分別為AC 29V 400Hz和AC 45V 400Hz的條件下輸入和輸出電壓波形如圖4所示。圖5給出了在額定條件下對(duì)輸 出 進(jìn) 行 快 速 傅 立 葉 變 換 （FFT） 所 得 的 頻 譜 分 析 圖 。

(a)輸入為AC45V400Hz時(shí)實(shí)測(cè)波形

(b)輸入為AC29V400Hz時(shí)實(shí)測(cè)波形

圖4  實(shí)測(cè)輸入與輸出電壓波形

圖5  額定條件下輸出波形的頻譜分析圖

    由圖4可見，實(shí)測(cè)波形與仿真波形吻合的較好，驗(yàn)證了仿真結(jié)果的正確性。由圖5可見，除400Hz基波外，輸出基本無(wú)諧波分量。

    對(duì)該三相交流穩(wěn)壓電源進(jìn)行測(cè)試，其主要技術(shù)指標(biāo)如下：

    ——電壓穩(wěn)定度?≤1％；

    ——負(fù)載穩(wěn)定度?≤1％；

    ——效率?≥88％（輸出滿載時(shí)）；

    ——三相輸出電壓相位差120°；

    ——輸出波形失真度?≤3％（設(shè)供電電壓基本無(wú)失真）。

5  結(jié)語(yǔ)

    改進(jìn)的線性諧振型交流穩(wěn)壓電源的空載電流和諧波電流比傳統(tǒng)的晶閘管調(diào)感電源小（實(shí)際上，電源可長(zhǎng)時(shí)間空載），輸入穩(wěn)壓范圍雖然較窄，但是，完全可以滿足實(shí)際使用要求。系統(tǒng)穩(wěn)定、可靠，在小功率應(yīng)用場(chǎng)合有一定的推廣價(jià)值。該技術(shù)已成功地用于某機(jī)載產(chǎn)品的研制中。今后，還應(yīng)進(jìn)一步優(yōu)化電路設(shè)計(jì)，降低MOS場(chǎng)效應(yīng)管開關(guān)噪聲和開關(guān)損耗。