CN102427298A

CN102427298A - 一种基于buck变换器的串联式交流稳压器

Info

Publication number: CN102427298A
Application number: CN2011104180550A
Authority: CN
Inventors: 王贤江; 石玉; 钟慧; 焦向全; 杨杰
Original assignee: University of Electronic Science and Technology of China
Current assignee: University of Electronic Science and Technology of China
Priority date: 2011-12-15
Filing date: 2011-12-15
Publication date: 2012-04-25

Abstract

本发明公开了一种基于BUCK变换器的串联式交流稳压器，它由依次电联的BUCK变换器、桥式极性变换器、工频变压器构成；从市电输入电压中取得交流电能后，经过一个由开关S1、开关S2、电感L1、电容C1构成的BUCK变换器得到一个与市电输入电压相位相同、频率相同、电压幅值可变的电压；再将此电压送往由开关S3、开关S4、开关S5、开关S6构成的桥式极性变换器，从而得到与市电输入电压相位可变、频率相同、电压幅值可变的电压；再将此电压接入工频变压器的初级绕组，从而在其次级绕组得到与初级同频同相的电压；再将此隔离得到的电压串入市电输入中，从而得稳压输出。

Description

一种基于BUCK变换器的串联式交流稳压器

技术领域

本发明属于电工技术应用领域，具体涉及一种基于BUCK变换器的串联式交流稳压器。

背景技术

对于现代社会大多数用电领域，原生态电能在某种意义上都是“粗电”。使用“粗电”将不尽如人意，“粗电”即电网提供的电能。电网是公用的，电网在高峰期和低谷期的电压存在差异。由于不同用户从电网支取的电时机和电量的不确定性和偶然性，特别是大型设备的起动和刹车，会给邻近的电网造成随机的瞬时冲击和定式落差；雷电、风暴、炎热等自然因素造成电网扰动也将给用户带来麻烦，以致设备运转失常、***效率降低、计算机数据丢失、逻辑功能混乱，严重时还将造成***硬件损坏，使***工作陷于瘫痪。为此，需要在电网下游采用稳压器对电网电能进行整合。

目前，已有很多关于交流稳压器的研究以及其产品。它们主要分为：直接稳压和间接稳压。直接稳压即通过磁放大器以及使用一个自耦式变压器进行稳压。间接稳压即通过中间环节，即AC-DC-AC。

对于基于磁放大器的直接稳压器，由于磁性材料本身的非线性，所以导致了输入电流中含有大量谐波，从而降低了整个***的功率因素，以及输出电压的很大程度失真。

对于基于自耦式变压器的直接稳压器，由于一般采用步进电机调节碳刷从而保证输出电压的稳定。此种结构其一，输出响应时间比较长；其二，整机效率也比较低；其三，由于采用工频变压器，从而导致体积也比较大。其四，调节所使用的碳刷需要定期进行维修。

对于基于AC-DC-AC的间接稳压器，由于采用多级的电能变换，从而使得整个***的效率相对较低，从而也增加了***的成本，增加了其复杂性。也降低了其可靠性。

发明内容

本发明的目的是提供一种效率高、功率因素接近于1、成本较低且可靠性高的交流稳压器。

本发明的技术方案为：一种基于BUCK变换器的串联式交流稳压器，它由依次电联的BUCK变换器、桥式极性变换器、工频变压器构成；从市电输入电压中取得交流电能后，经过一个由开关S1、开关S2、电感L1、电容C1构成的BUCK变换器得到一个与市电输入电压相位相同、频率相同、电压幅值可变的电压；再将此电压送往由开关S3、开关S4、开关S5、开关S6构成的桥式极性变换器，从而得到与市电输入电压相位可变、频率相同、电压幅值可变的电压；再将此电压接入工频变压器的初级绕组，从而在其次级绕组上得到与初级同频同相的电压;再将此隔离得到的电压串入市电输入中，从而得稳压输出。

进一步地，所述开关S1、开关S2均为交流开关，由两个参数一致的N沟道增强型MOS管构成反串联而构成。

进一步地，所述开关S3、开关S4 、开关S5、开关S6均为交流开关，由双向可控硅而构成。

采用此种结构设计出来的交流稳压器器采用了串入需要补偿的电压使用工频变压器，从很大程度上提高了其使用效率。对于串入电压采用BUCK变换器来得到，更进一步提高了其转换效率。由于不存在非线性部分，所以使得整个***的输入电流谐波含量很少。也使得整个***具有较高的功率因素。

本发明与现有技术相比具有如下优点：

（1）由于采用占空比结合匝比（N）的控制模式，使得交流稳压器的稳压精度经及其调节性能都相对较高。

（2）将直流电力变换中BUCK变换器引入到交流控制领域，简化了交流控制的设计，同时也使交流稳压器具有较高的转换效率。

（3）让整个***对电网而言呈阻性负载，使得整个***的具有较高的功率因素。

（4）电路结构相对简单，所以使得整个***稳定性较高。

附图说明

图1所示为一种基于BUCK变换器的串联式交流稳压器***结构图；

图2所示为该串联式交流稳压器电路模型图；

图3所示为该串联式交流稳压器主体电路原理图；

图4所示为该串联式交流稳压器中开关S1-S2电路原理图；

图5所示为该串联式交流稳压器BUCK变换器控制信号产生部分结构框图；

图6所示为该串联式交流稳压器BUCK变换器控制信号产生波形图；

图7所示为该串联式交流稳压器中开关S3-S6电路原理图；

图8所示为该串联式交流稳压器桥式极性变换控制信号产生结构框图；

图9所示为该串联式交流稳压器在桥式极性变换在不同模式下的开关时序图；

图10所示为该串联式交流稳压器工作于升压模式时相应电压波形图；

图11所示为该串联式交流稳压器工作于降压模式时相应电压波形图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。

如图1至图11所示，本发明采用以下技术方案：***主原理图如图3所示，***结构图如图1所示。从市电输入Uin中取得交流电能后，经过一个由S1、S2、L1、C1构成的BUCK变换器得到一个与市电输入Uin相位相同、频率相同、电压幅值可变（低于市电输入Uin）的电压Ur*N(n2:n1=N:1)，再将此电压送往由开关S3、S4、S5、S6构成的桥式极性变换器，从而得到与市电输入Uin相位可变（相差0度或180度）、频率相同、电压幅值可变（低于市电输入Uin）的电压Ur*N(n2:n1=N:1)，再将此电压Ur*N(n2:n1=N:1)接入工频变压器T1的初级绕组n2，从而在其次级绕组n1上得到与初级同频同相的电压Ur。再将此隔离得到的电压Ur串入市电输入Uin中，从而得稳压输出Uo。当市电输入Uin发生变化时，可以通过改变电压Ur的大小以及其与市电输入Uin之间的相位差（相差0度或180度），从而让输出Uo为一稳定值。其相应模型如图2所示。

采用此种结构设计出来的交流稳压器器采用了串入需要补偿的电压使用工频变压器，从很大程度上提高了其使用效率。对于串入电压Ur采用BUCK变换器来得到，更进一步提高了其转换效率。由于不存在非线性部分，所以使得整个***的输入电流谐波含量很少。也使得整个***具有较高的功率因素。

上述结构主要由BUCK变换器、桥式极性变换、工频变压器构成。

变换器：

此部分的主要作用是得到一个与市电输入Uin相位相同、频率相同、电压幅值可变（低于市电输入Uin）的电压Ur*N(n2:n1=N:1)。根据相应控制理论：Ur*N(n2:n1=N:1)＝Uin*D。D为开关S1控制信号的占空比，在一个周期Ts中，开通时间Ton与周期Ts的比值，即D=Ton/Ts。

此部分电路原理图如图3所示，即由功率部分与信号控制部分构成。

（1）功率部分

如图3所示，主要由开关S1、S2、滤波电感L1、滤波电容C1构成。开关S1、S2由于工作在上百个KHz，所以对其响应速度要求甚高，采用反串联的MOS器件构成，电路如图4所示。工作原理为:当开关S1导通时（GS上的电平为高电平），开关Q1、Q2便完全导通，电流在D(Q1)-S(Q1)-S(Q2)-D(Q2)之间形成一条完整的通路；当开关S1判断时（GS上的电平为低电平），开关Q1、Q2便完全截止，电流在D(Q1)-S(Q1)-S(Q2)-D(Q2)之间均不能形成通路。开关S2再理。

当开关S1导通时，开关S2截止，市电输入Uin完全提供给后级的LC滤波器以及负载；当开关S1截止时，开关S2便导通以便让LC滤波器中的电流形成回路，从而保证电流的连续。由L1与C1构成的LC滤波器主要是为了降低输出的纹波电压。

（2）信号控制部分

此部分结构框图如图5所示，即PWM波产生原理。通过对稳压输出Uo的隔离采样，将采得的反馈电压Ufb与内部基准电压Uref经过误差放大器A1进行作差处理后得到Uref- Ufb，再将此电压与内部产生的三角波经过电压比较器A2进行比较从而得PWM波输出，为了得到另一路相反的的控制信号，对输出信号进行了取反处理。其相应波形如图6所示，图中一个完整的周期为Ts。

桥式极性变换：

桥式极性变换主要的目的是让串入电压Ur与市电输入Uin之间的相位差为180度或0度。从而保证交流稳压器能在市电输入Uin高于或低于设定输出电压Uo时正常工作。此部分电路如图3所示，主要由开关S3、S4、S5、S6与极性变换控制信号部分构成。

（1）开关S3、S4、S5、S6

开关S3、S4、S5、S6也为交流开关，但是基于实际情况考虑，即市电输入Uin不可能以几百个KHz的频率不停的高于或低于设定输出电压Uo。基于成本考虑由低频的双向可控硅来构成。其构成电路图如图7所示。

（2）极性变换控制信号

主要通过对市电输入Uin与设定输出电压Uo进行比较从而产生不同的换相信号，达到串入电压Ur与市电输入Uin之间的相位差为180度或0度。其结构框图如图8所示，工作于不同升压模式下时开关S3、S4、S5、S6的控制信号波形如图9所示。

工频变压器：

工频变压器T1主要是为了将得到的电压Ur串入市电输入Uin中。电路如图3所示，图中工频变压器T1的初级绕组为n1，其次级绕组为n2。匝比即N=n1/n2。次级输出电压为Ur。其工作于升压模式时，相应电压波形如图10所示；其工作于降压模式时，相应电压波形如图11所示；

根据上面记述的本发明，由于使用了开关S1、S2、S3、S4、S5、S6，其中开关S1、S2为高频交流开关，开关S3、S4、S5、S6为低频交流开关。引入了BUCK变换器以及桥式极性变换来作为交流稳压器的主要构成部分。。

Claims

1.一种基于BUCK变换器的串联式交流稳压器，其特征在于：它由依次电联的BUCK变换器、桥式极性变换器、工频变压器构成；从市电输入电压中取得交流电能后，经过一个由开关S1、开关S2、电感L1、电容C1构成的BUCK变换器得到一个与市电输入电压相位相同、频率相同、电压幅值可变的电压；再将此电压送往由开关S3、开关S4、开关S5、开关S6构成的桥式极性变换器，从而得到与市电输入电压相位可变、频率相同、电压幅值可变的电压；再将此电压接入工频变压器的初级绕组，从而在其次级绕组得到与初级同频同相的电压，再将此隔离得到的电压串入市电输入中，从而得稳压输出。

2.根据权利要求1所述的一种基于BUCK变换器的串联式交流稳压器，其特征在于：所述开关S1、开关S2均为交流开关，由两个参数一致的N沟道增强型MOS管构成反串联而构成。

3.根据权利要求1所述的一种基于BUCK变换器的串联式交流稳压器，其特征在于：所述开关S3、开关S4 、开关S5、开关S6均为交流开关，由双向可控硅而构成。