??? 摘? 要: 介紹了傳統的正弦能量分配交流凈化穩壓電源的基本原理及如何用高頻斬波和單片機技術對其進行改造。?
??? 關鍵詞: 高頻? 斬波? 交流穩壓器? AVR?
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??? 目前,在各種交流穩壓電源中,采用正弦能量分配技術的交流凈化穩壓電源是一種技術先進的穩壓電源。這種電源主要是通過改變晶閘管的觸發角θ,來控制調感支路的等效電感,從而起到穩定輸出電壓的作用。它具有性價比高、可靠性好等特點。?
??? 但是這種方式產生的諧波較多,電感損耗較大,噪音明顯,尤其對電網產生很大干擾。為此,筆者用高頻PWM斬波技術對其進行改造,用MOSFET或IGBT代替TRIAC,通過調節高頻交流斬波器的脈沖寬度來調節等效電感。較好地解決了上述問題。?
??? 傳統的正弦波交流凈化電源原理如圖1所示。?
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??? 圖1中T是帶氣隙的自耦變壓器,輸入交流電接T的B點,由C點輸出穩定的交流電壓。L、L1和L2是線性電感器,L和雙向晶閘管V組成調感支路。L1和C1組成3次諧波濾波器,L2和C2組成5次諧波濾波器,減小輸出電壓的失真度。采用脈沖相位控制技術改變雙向晶閘管V的導通角,從而調整L的等效電感值,從T的N2繞組取得補償電壓,達到穩壓目的。?
??? 用高頻斬波技術改造傳統的正弦波交流凈化電源的關鍵是用高頻交流開關取代雙向晶閘管。高頻交流開關有兩種形式:整流橋+IGBT式和MOSFET反串聯式,如圖2所示。
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??? 整流橋+IGBT式適合于大功率電源,MOSFET反串聯式適合于中小功率電源。下面具體介紹以整流橋+IGBT為交流功率開關、AVR系列單片機90S8535為控制核心的單片機控制高頻斬波調感式交流穩壓電源。其原理框圖如圖3所示。?
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??? 由于是感性負載,又不能像直流斬波那樣加續流回路,所以要給IGBT加開通和關斷緩沖電路。高頻交流開關控制采用了EPWM直流等電位調制技術。為使波形半波奇對稱和四分之一偶對稱,以消除傅里葉級數中的余弦項和偶次諧波,
為三角波頻率,fs為市電工頻;
為脈沖寬度,
為輸出電壓的偏差,三角波電壓的方程式為:?
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??? 輸出電壓偏差ΔU為采樣電壓,觸發脈沖起點和終點的方程式為:?
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各觸發脈沖的起點角和終點角的數值為:?
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??? 由于PWM斬波波形是鏡對稱和原點對稱,因此它的傅里葉級數中將只包含正弦項中的奇次諧波,即:?
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??? 由上式可知,N越大諧波頻率越高。采用很小的LC濾波器就可以濾掉uLe中的所有高次諧波。?
??? 如求等效電感Le,通過使uL=uLe,uLl=ULmsinωt,對于uLe,忽略掉其中的高次諧波時(高次諧波被L、C濾掉)uLe=MUmsinωt,當uL、uLe用有效值表示有:UL=MULe,兩邊各除以電流的有效值IL,則可得:?
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??? EPWM示意波形如圖4所示。?
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??? AVR90S8535是8位RISC結構單片機,在8MHz晶振5V工作電壓時,單指令周期為125ns。內含8路10位ADC,最快轉換時間為65μs,帶有模擬比較器和兩個8/9/10 位PWM 功能的16位定時器/計數器,以及可編程的看門狗定時器,非常適合做高速PWM控制器。由圖3可以看到,AVR90S8535完成交流輸入、輸出電壓和輸出電流的采樣。同時由調感支路產生的過零同步信號也一起輸入單片機,過零同步信號的頻率為100Hz,每當過零同步信號輸入單片機時就觸發一次中斷。在中斷子程序中,單片機根據輸出采樣電壓計算EPWM占空比,該占空比賦予單片機的PWM定時器。AVR90S8535的PWM定時器設定為16kHz的PWM輸出。PWM斬波頻率太低太高都不好。斬波頻率太低時,交流開關關斷時被控電感續流電流對交流開關并聯電容充電,使得交流開關耐壓提高;斬波頻率太高時,交流開關開通損耗又會過大。單片機同時還完成故障保護、輸入輸出的數字化設定和顯示等功能。程序流程如圖5所示。?
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??? 以高頻斬波和單片機技術改造傳統的正弦波交流凈化電源,成本上雖然增加一些但是技術上卻帶來了突破。它使得產品顯示直觀、設置方便,電感器和電容器所承受的諧波應力大大減小,功耗減小,特別對輸入端的諧波電流分量大大減小,可以滿足當前越來越嚴格的諧波規范要求,是今后電源的發展方向。?
參考文獻?
1 劉鳳君.交流調感穩壓電源中等效電感的分析.電源技術應用,2001;(7)