新穎的Buck-Boost型正弦交流穩壓器
發布時間：2012-02-20
中心議題：
1 引 言
由於我國交流電網的電壓波動較大，特別是邊遠農村地區，交流穩壓電源已成為許多電子設備不可缺少的供電裝置[1]。按照工作原理，交流穩壓電源可分為參 數調整（諧振）型[2]、自耦（變比）調整型[3]、大功率補償型[4、5]和開關型[6、7]等四種類型，其典型電路如圖1所示。
參數調整（諧振）xingjiaoliuwenyadianyuan，shiliyongdianlufeixianxingyuanqijianduidianluzhongdedianyahedianliujinxingtiaozheng，congershixianshuchudianyadewending。gaileijiaoliuwenyadianyuanjuyoudianlujiandan、穩定 精度高、抗幹擾性強和輸入電壓範圍寬等優點，但存在輸出波形THD高、電路元器件對工作頻率非常敏感、輸入功率因數很低、輸出容量難以做大、無電氣隔離等 缺陷。
自耦（變比）調整型交流穩壓器，是以自耦變壓（調壓）器為基礎實現穩壓功能的。該類交流穩壓器具有電路簡單、輸入電壓範圍寬等優點，但存在輸出波形THD高、穩壓精度較低、體積重量大等缺陷。
大(da)功(gong)率(lv)補(bu)償(chang)型(xing)交(jiao)流(liu)穩(wen)壓(ya)電(dian)源(yuan)，是(shi)把(ba)線(xian)性(xing)變(bian)壓(ya)器(qi)串(chuan)聯(lian)在(zai)輸(shu)入(ru)端(duan)和(he)輸(shu)出(chu)端(duan)的(de)主(zhu)電(dian)路(lu)中(zhong)，控(kong)製(zhi)該(gai)變(bian)壓(ya)器(qi)初(chu)級(ji)電(dian)壓(ya)的(de)大(da)小(xiao)和(he)極(ji)性(xing)，利(li)用(yong)其(qi)次(ci)級(ji)電(dian)壓(ya)對(dui)輸(shu)入(ru)電(dian)壓(ya)進(jin)行(xing)補(bu)償(chang)，從(cong) 而實現輸出電壓的穩定。該類交流穩壓器具有輸出容量大、對電網適應能力好、效率高等優點，但存在輸出波形THD高、輸出與輸入無電氣隔離、動態性能差等缺 陷。
開關型交流穩壓電源，將輸入電網電壓整流後得到脈動直流電壓，然後通過高頻PWM技術逆變為交流電壓，再經過相位跟蹤和轉換電路後獲得與輸入側同頻同相 的補償電壓，加在輸入與輸出之間，從而實現輸出電壓的穩定。開關型交流穩壓電源，具有穩壓性能好、控製功能強、電路偏複雜、價格較高等特點。
2 新穎的Buck-Boost型正弦交流穩壓器的電路拓撲
新穎的Buck-Boost型正弦交流穩壓器的電路結構[8]，由輸入周波變換器、高頻儲能式變壓器、輸出周波變換器以及輸入、輸出濾波器構成，能夠將 一種不穩定的劣質交流電變換成另一種同頻穩定的優質正弦交流電，具有高頻電氣隔離、電路拓撲簡潔、兩級功率變換（LFAC/HFAC/LFAC）、雙向功 率流、網側功率因數高、功率密度高、變換效率高、負載適應能力強、音頻噪音低、可靠性高等優點。其單四象限功率開關式電路拓撲，如圖2所示。
圖2單四象限功率開關式電路拓撲
[page]
當電網向負載傳遞功率時，輸入周波變換器將不穩定的、劣質的低頻交流電壓調製成高頻脈動電流，輸出周波變換器將高頻脈動電流解調，通過輸出濾波電容濾波 後得到優質的、穩定的低頻交流電壓；當負載向電網回饋能量時，輸出周波變換器工作在調製狀態，輸入周波變換器工作在解調狀態。
3 控製方案
新穎的Buck-Boost型正弦交流穩壓器，采用具有輸入電壓極性和工作模式選擇的電壓瞬時值反饋控製方案，其感性負載時的原理波形如圖3所示。圖中 iL21為高頻儲能式變壓器的副邊電感電流iL2的基波分量。通過調節PWM信號的占空比，即可實現正弦交流穩壓器輸出電壓的穩定。輸出濾波電容與負載的 並聯阻抗等效為感性、容性、阻性時，正弦交流穩壓器的工作模式順序分別為A-B-C-D、D-C-B-A、A-C。
圖3電壓瞬時值反饋控製原理波形
4 原理試驗
設計實例：單四象限功率開關式電路拓撲，輸出電壓瞬時值反饋控製方案，DCM工作模式，額定容量S=500VA，輸入電壓220V±10% （50Hz），輸出電壓220V（50Hz），開關頻率Fs=50kHz，負載功率因數cosФL=－0.75~+0.75，高頻儲能式變壓器 L1/L2=120μH/120μH，最大占空比Dmax=0.5，輸入濾波電感L=10μH，輸入濾波電容C=50μF，輸出濾波電容Cf=10μF。
不同輸入電壓和負載時，500VA 220V±10%50Hz/220V50Hz Buck-Boost型正弦交流穩壓器的原理試驗波形，如圖4所示。原理試驗結果表明：Buck-Boost型正弦交流穩壓器工作時存在四種DCM模式 A、B、C、D；輸出電壓波形THD含量低；負載適應能力強；穩壓性能好。試驗結果與理論分析一致。
5 結 論
新穎的Buck-Boost型正弦交流穩壓器的電路結構，由輸入周波變換器、高頻儲能式變壓器、輸出周波變換器以及輸入、輸出濾波器構成，能夠將一種不 穩定的劣質交流電變換成另一種同頻、穩定的優質正弦交流電，具有高頻電氣隔離、電路拓撲簡潔、兩級功率變換（LFAC/HFAC/LFAC）、雙向功率 流、網側功率因數高、功率密度高、變換效率高、音頻噪音低、可靠性高等優點。采用輸出電壓瞬時值反饋控製方案，Buck-Boost型正弦交流穩壓器具有 強的負載適應能力、優良的穩壓性能和高質量的輸出正弦波形等優點。原理試驗結果與理論分析一致。
- 探究新穎的Buck-Boost型正弦交流穩壓器
- 利用電路非線性元器件對電路中的電壓和電流進行調整
- 采用輸出電壓瞬時值反饋控製方案
1 引 言
由於我國交流電網的電壓波動較大，特別是邊遠農村地區，交流穩壓電源已成為許多電子設備不可缺少的供電裝置[1]。按照工作原理，交流穩壓電源可分為參 數調整（諧振）型[2]、自耦（變比）調整型[3]、大功率補償型[4、5]和開關型[6、7]等四種類型，其典型電路如圖1所示。
參數調整（諧振）xingjiaoliuwenyadianyuan，shiliyongdianlufeixianxingyuanqijianduidianluzhongdedianyahedianliujinxingtiaozheng，congershixianshuchudianyadewending。gaileijiaoliuwenyadianyuanjuyoudianlujiandan、穩定 精度高、抗幹擾性強和輸入電壓範圍寬等優點，但存在輸出波形THD高、電路元器件對工作頻率非常敏感、輸入功率因數很低、輸出容量難以做大、無電氣隔離等 缺陷。
自耦（變比）調整型交流穩壓器，是以自耦變壓（調壓）器為基礎實現穩壓功能的。該類交流穩壓器具有電路簡單、輸入電壓範圍寬等優點，但存在輸出波形THD高、穩壓精度較低、體積重量大等缺陷。
大(da)功(gong)率(lv)補(bu)償(chang)型(xing)交(jiao)流(liu)穩(wen)壓(ya)電(dian)源(yuan)，是(shi)把(ba)線(xian)性(xing)變(bian)壓(ya)器(qi)串(chuan)聯(lian)在(zai)輸(shu)入(ru)端(duan)和(he)輸(shu)出(chu)端(duan)的(de)主(zhu)電(dian)路(lu)中(zhong)，控(kong)製(zhi)該(gai)變(bian)壓(ya)器(qi)初(chu)級(ji)電(dian)壓(ya)的(de)大(da)小(xiao)和(he)極(ji)性(xing)，利(li)用(yong)其(qi)次(ci)級(ji)電(dian)壓(ya)對(dui)輸(shu)入(ru)電(dian)壓(ya)進(jin)行(xing)補(bu)償(chang)，從(cong) 而實現輸出電壓的穩定。該類交流穩壓器具有輸出容量大、對電網適應能力好、效率高等優點，但存在輸出波形THD高、輸出與輸入無電氣隔離、動態性能差等缺 陷。
開關型交流穩壓電源，將輸入電網電壓整流後得到脈動直流電壓，然後通過高頻PWM技術逆變為交流電壓，再經過相位跟蹤和轉換電路後獲得與輸入側同頻同相 的補償電壓，加在輸入與輸出之間，從而實現輸出電壓的穩定。開關型交流穩壓電源，具有穩壓性能好、控製功能強、電路偏複雜、價格較高等特點。
2 新穎的Buck-Boost型正弦交流穩壓器的電路拓撲
新穎的Buck-Boost型正弦交流穩壓器的電路結構[8]，由輸入周波變換器、高頻儲能式變壓器、輸出周波變換器以及輸入、輸出濾波器構成，能夠將 一種不穩定的劣質交流電變換成另一種同頻穩定的優質正弦交流電，具有高頻電氣隔離、電路拓撲簡潔、兩級功率變換（LFAC/HFAC/LFAC）、雙向功 率流、網側功率因數高、功率密度高、變換效率高、負載適應能力強、音頻噪音低、可靠性高等優點。其單四象限功率開關式電路拓撲，如圖2所示。
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當電網向負載傳遞功率時，輸入周波變換器將不穩定的、劣質的低頻交流電壓調製成高頻脈動電流，輸出周波變換器將高頻脈動電流解調，通過輸出濾波電容濾波 後得到優質的、穩定的低頻交流電壓；當負載向電網回饋能量時，輸出周波變換器工作在調製狀態，輸入周波變換器工作在解調狀態。
3 控製方案
新穎的Buck-Boost型正弦交流穩壓器，采用具有輸入電壓極性和工作模式選擇的電壓瞬時值反饋控製方案，其感性負載時的原理波形如圖3所示。圖中 iL21為高頻儲能式變壓器的副邊電感電流iL2的基波分量。通過調節PWM信號的占空比，即可實現正弦交流穩壓器輸出電壓的穩定。輸出濾波電容與負載的 並聯阻抗等效為感性、容性、阻性時，正弦交流穩壓器的工作模式順序分別為A-B-C-D、D-C-B-A、A-C。
4 原理試驗
設計實例：單四象限功率開關式電路拓撲，輸出電壓瞬時值反饋控製方案，DCM工作模式，額定容量S=500VA，輸入電壓220V±10% （50Hz），輸出電壓220V（50Hz），開關頻率Fs=50kHz，負載功率因數cosФL=－0.75~+0.75，高頻儲能式變壓器 L1/L2=120μH/120μH，最大占空比Dmax=0.5，輸入濾波電感L=10μH，輸入濾波電容C=50μF，輸出濾波電容Cf=10μF。
不同輸入電壓和負載時，500VA 220V±10%50Hz/220V50Hz Buck-Boost型正弦交流穩壓器的原理試驗波形，如圖4所示。原理試驗結果表明：Buck-Boost型正弦交流穩壓器工作時存在四種DCM模式 A、B、C、D；輸出電壓波形THD含量低；負載適應能力強；穩壓性能好。試驗結果與理論分析一致。
5 結 論
新穎的Buck-Boost型正弦交流穩壓器的電路結構，由輸入周波變換器、高頻儲能式變壓器、輸出周波變換器以及輸入、輸出濾波器構成，能夠將一種不 穩定的劣質交流電變換成另一種同頻、穩定的優質正弦交流電，具有高頻電氣隔離、電路拓撲簡潔、兩級功率變換（LFAC/HFAC/LFAC）、雙向功率 流、網側功率因數高、功率密度高、變換效率高、音頻噪音低、可靠性高等優點。采用輸出電壓瞬時值反饋控製方案，Buck-Boost型正弦交流穩壓器具有 強的負載適應能力、優良的穩壓性能和高質量的輸出正弦波形等優點。原理試驗結果與理論分析一致。
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