專利名稱：一種基于buck變換器的串聯(lián)式交流穩(wěn)壓器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于電工技術(shù)應(yīng)用領(lǐng)域，具體涉及一種基于BUCK變換器的串聯(lián)式交流穩(wěn)壓器。
背景技術(shù)：
對(duì)于現(xiàn)代社會(huì)大多數(shù)用電領(lǐng)域，原生態(tài)電能在某種意義上都是“粗電”。使用“粗電”將不盡如人意，“粗電”即電網(wǎng)提供的電能。電網(wǎng)是公用的，電網(wǎng)在高峰期和低谷期的電壓存在差異。由于不同用戶從電網(wǎng)支取的電時(shí)機(jī)和電量的不確定性和偶然性，特別是大型設(shè)備的起動(dòng)和剎車，會(huì)給鄰近的電網(wǎng)造成隨機(jī)的瞬時(shí)沖擊和定式落差；雷電、風(fēng)暴、炎熱等自然因素造成電網(wǎng)擾動(dòng)也將給用戶帶來(lái)麻煩，以致設(shè)備運(yùn)轉(zhuǎn)失常、系統(tǒng)效率降低、計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)丟失、邏輯功能混亂，嚴(yán)重時(shí)還將造成系統(tǒng)硬件損壞，使系統(tǒng)工作陷于癱瘓。為此，需要在電網(wǎng)下游采用穩(wěn)壓器對(duì)電網(wǎng)電能進(jìn)行整合。目前，已有很多關(guān)于交流穩(wěn)壓器的研究以及其產(chǎn)品。它們主要分為直接穩(wěn)壓和間接穩(wěn)壓。直接穩(wěn)壓即通過(guò)磁放大器以及使用一個(gè)自耦式變壓器進(jìn)行穩(wěn)壓。間接穩(wěn)壓即通過(guò)中間環(huán)節(jié)，即AC-DC-AC。對(duì)于基于磁放大器的直接穩(wěn)壓器，由于磁性材料本身的非線性，所以導(dǎo)致了輸入電流中含有大量諧波，從而降低了整個(gè)系統(tǒng)的功率因素，以及輸出電壓的很大程度失真。對(duì)于基于自耦式變壓器的直接穩(wěn)壓器，由于一般采用步進(jìn)電機(jī)調(diào)節(jié)碳刷從而保證輸出電壓的穩(wěn)定。此種結(jié)構(gòu)其一，輸出響應(yīng)時(shí)間比較長(zhǎng)；其二，整機(jī)效率也比較低；其三，由于采用工頻變壓器，從而導(dǎo)致體積也比較大。其四，調(diào)節(jié)所使用的碳刷需要定期進(jìn)行維修。對(duì)于基于AC-DC-AC的間接穩(wěn)壓器，由于采用多級(jí)的電能變換，從而使得整個(gè)系統(tǒng)的效率相對(duì)較低，從而也增加了系統(tǒng)的成本，增加了其復(fù)雜性。也降低了其可靠性。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種效率高、功率因素接近于1、成本較低且可靠性高的交流
穩(wěn)壓器。本發(fā)明的技術(shù)方案為一種基于BUCK變換器的串聯(lián)式交流穩(wěn)壓器，它由依次電聯(lián)的BUCK變換器、橋式極性變換器、工頻變壓器構(gòu)成；從市電輸入電壓中取得交流電能后，經(jīng)過(guò)一個(gè)由開關(guān)Sl、開關(guān)S2、電感Ll、電容Cl構(gòu)成的BUCK變換器得到一個(gè)與市電輸入電壓相位相同、頻率相同、電壓幅值可變的電壓；再將此電壓送往由開關(guān)S3、開關(guān)S4、開關(guān)S5、開關(guān) S6構(gòu)成的橋式極性變換器，從而得到與市電輸入電壓相位可變、頻率相同、電壓幅值可變的電壓；再將此電壓接入工頻變壓器的初級(jí)繞組，從而在其次級(jí)繞組上得到與初級(jí)同頻同相的電壓；再將此隔離得到的電壓串入市電輸入中，從而得穩(wěn)壓輸出。進(jìn)一步地，所述開關(guān)Si、開關(guān)S2均為交流開關(guān)，由兩個(gè)參數(shù)一致的N溝道增強(qiáng)型 MOS管構(gòu)成反串聯(lián)而構(gòu)成。進(jìn)一步地，所述開關(guān)S3、開關(guān)S4、開關(guān)S5、開關(guān)S6均為交流開關(guān)，由雙向可控硅而構(gòu)成。采用此種結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)出來(lái)的交流穩(wěn)壓器器采用了串入需要補(bǔ)償?shù)碾妷菏褂霉ゎl變壓器，從很大程度上提高了其使用效率。對(duì)于串入電壓采用BUCK變換器來(lái)得到，更進(jìn)一步提高了其轉(zhuǎn)換效率。由于不存在非線性部分，所以使得整個(gè)系統(tǒng)的輸入電流諧波含量很少。 也使得整個(gè)系統(tǒng)具有較高的功率因素。本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比具有如下優(yōu)點(diǎn)
(1)由于采用占空比結(jié)合匝比(N)的控制模式，使得交流穩(wěn)壓器的穩(wěn)壓精度經(jīng)及其調(diào)節(jié)性能都相對(duì)較高。(2)將直流電力變換中BUCK變換器引入到交流控制領(lǐng)域，簡(jiǎn)化了交流控制的設(shè)計(jì)，同時(shí)也使交流穩(wěn)壓器具有較高的轉(zhuǎn)換效率。(3)讓整個(gè)系統(tǒng)對(duì)電網(wǎng)而言呈阻性負(fù)載，使得整個(gè)系統(tǒng)的具有較高的功率因素。(4)電路結(jié)構(gòu)相對(duì)簡(jiǎn)單，所以使得整個(gè)系統(tǒng)穩(wěn)定性較高。


圖1所示為一種基于BUCK變換器的串聯(lián)式交流穩(wěn)壓器系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖； 圖2所示為該串聯(lián)式交流穩(wěn)壓器電路模型圖3所示為該串聯(lián)式交流穩(wěn)壓器主體電路原理圖4所示為該串聯(lián)式交流穩(wěn)壓器中開關(guān)S1-S2電路原理圖5所示為該串聯(lián)式交流穩(wěn)壓器BUCK變換器控制信號(hào)產(chǎn)生部分結(jié)構(gòu)框圖6所示為該串聯(lián)式交流穩(wěn)壓器BUCK變換器控制信號(hào)產(chǎn)生波形圖7所示為該串聯(lián)式交流穩(wěn)壓器中開關(guān)S3-S6電路原理圖8所示為該串聯(lián)式交流穩(wěn)壓器橋式極性變換控制信號(hào)產(chǎn)生結(jié)構(gòu)框圖9所示為該串聯(lián)式交流穩(wěn)壓器在橋式極性變換在不同模式下的開關(guān)時(shí)序圖10所示為該串聯(lián)式交流穩(wěn)壓器工作于升壓模式時(shí)相應(yīng)電壓波形圖11所示為該串聯(lián)式交流穩(wěn)壓器工作于降壓模式時(shí)相應(yīng)電壓波形圖。
具體實(shí)施例方式下面結(jié)合附圖和實(shí)施例對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步說(shuō)明。如圖1至圖11所示，本發(fā)明采用以下技術(shù)方案系統(tǒng)主原理圖如圖3所示，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。從市電輸入U(xiǎn)in中取得交流電能后，經(jīng)過(guò)一個(gè)由Si、S2、Li、Cl構(gòu)成的BUCK變換器得到一個(gè)與市電輸入U(xiǎn)in相位相同、頻率相同、電壓幅值可變(低于市電輸入 Uin)的電壓to*N(n2:nl=N: 1)，再將此電壓送往由開關(guān)S3、S4、S5、S6構(gòu)成的橋式極性變換器，從而得到與市電輸入U(xiǎn)in相位可變(相差0度或180度)、頻率相同、電壓幅值可變(低于市電輸入U(xiǎn)in)的電壓to*N(n2:nl=N: 1)，再將此電壓to*N(n2:nl=N: 1)接入工頻變壓器Tl 的初級(jí)繞組n2，從而在其次級(jí)繞組nl上得到與初級(jí)同頻同相的電壓to。再將此隔離得到的電壓Ur串入市電輸入U(xiǎn)in中，從而得穩(wěn)壓輸出Uo。當(dāng)市電輸入U(xiǎn)in發(fā)生變化時(shí)，可以通過(guò)改變電壓Ur的大小以及其與市電輸入U(xiǎn)in之間的相位差(相差0度或180度)，從而讓輸出Uo為一穩(wěn)定值。其相應(yīng)模型如圖2所示。采用此種結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)出來(lái)的交流穩(wěn)壓器器采用了串入需要補(bǔ)償?shù)碾妷菏褂霉ゎl變壓器，從很大程度上提高了其使用效率。對(duì)于串入電壓to采用BUCK變換器來(lái)得到，更進(jìn)一步提高了其轉(zhuǎn)換效率。由于不存在非線性部分，所以使得整個(gè)系統(tǒng)的輸入電流諧波含量很少。也使得整個(gè)系統(tǒng)具有較高的功率因素。上述結(jié)構(gòu)主要由BUCK變換器、橋式極性變換、工頻變壓器構(gòu)成。變換器
此部分的主要作用是得到一個(gè)與市電輸入U(xiǎn)in相位相同、頻率相同、電壓幅值可變 (低于市電輸入U(xiǎn)in)的電壓to*N(n2:nl=N:l)。根據(jù)相應(yīng)控制理論Ur*N(n2:nl=N: 1)= Uin*D。D為開關(guān)Sl控制信號(hào)的占空比，在一個(gè)周期Ts中，開通時(shí)間Ton與周期Ts的比值， 即 D=IWl^此部分電路原理圖如圖3所示，即由功率部分與信號(hào)控制部分構(gòu)成。(1)功率部分
如圖3所示，主要由開關(guān)Si、S2、濾波電感Li、濾波電容Cl構(gòu)成。開關(guān)Si、S2由于工作在上百個(gè)KHz，所以對(duì)其響應(yīng)速度要求甚高，采用反串聯(lián)的MOS器件構(gòu)成，電路如圖4所示。工作原理為當(dāng)開關(guān)Sl導(dǎo)通時(shí)(GS上的電平為高電平)，開關(guān)Q1、Q2便完全導(dǎo)通，電流在D (Ql) -S (Ql) -S (Q2) -D (Q2)之間形成一條完整的通路；當(dāng)開關(guān)Sl判斷時(shí)(GS上的電平為低電平)，開關(guān)Q1、Q2便完全截止，電流在D (Ql) -S (Ql) -S (Q2) -D (Q2)之間均不能形成通路。 開關(guān)S2再理。當(dāng)開關(guān)Sl導(dǎo)通時(shí)，開關(guān)S2截止，市電輸入U(xiǎn)in完全提供給后級(jí)的LC濾波器以及負(fù)載；當(dāng)開關(guān)Sl截止時(shí)，開關(guān)S2便導(dǎo)通以便讓LC濾波器中的電流形成回路，從而保證電流的連續(xù)。由Ll與Cl構(gòu)成的LC濾波器主要是為了降低輸出的紋波電壓。(2) 信號(hào)控制部分
此部分結(jié)構(gòu)框圖如圖5所示，即PWM波產(chǎn)生原理。通過(guò)對(duì)穩(wěn)壓輸出Uo的隔離采樣，將采得的反饋電壓Ufb與內(nèi)部基準(zhǔn)電壓toef經(jīng)過(guò)誤差放大器Al進(jìn)行作差處理后得到toef-Ufb，再將此電壓與內(nèi)部產(chǎn)生的三角波經(jīng)過(guò)電壓比較器A2進(jìn)行比較從而得PWM波輸出，為了得到另一路相反的的控制信號(hào)，對(duì)輸出信號(hào)進(jìn)行了取反處理。其相應(yīng)波形如圖6所示，圖中一個(gè)完整的周期為Ts。 橋式極性變換
橋式極性變換主要的目的是讓串入電壓Ur與市電輸入U(xiǎn)in之間的相位差為180度或 0度。從而保證交流穩(wěn)壓器能在市電輸入U(xiǎn)in高于或低于設(shè)定輸出電壓Uo時(shí)正常工作。此部分電路如圖3所示，主要由開關(guān)S3、S4、S5、S6與極性變換控制信號(hào)部分構(gòu)成。(1)開關(guān) S3、S4、S5、S6
開關(guān)S3、S4、S5、S6也為交流開關(guān)，但是基于實(shí)際情況考慮，即市電輸入U(xiǎn)in不可能以幾百個(gè)KHz的頻率不停的高于或低于設(shè)定輸出電壓Uo?；诔杀究紤]由低頻的雙向可控硅來(lái)構(gòu)成。其構(gòu)成電路圖如圖7所示。(2)極性變換控制信號(hào)
主要通過(guò)對(duì)市電輸入U(xiǎn)in與設(shè)定輸出電壓Uo進(jìn)行比較從而產(chǎn)生不同的換相信號(hào)，達(dá)到串入電壓Ur與市電輸入U(xiǎn)in之間的相位差為180度或O度。其結(jié)構(gòu)框圖如圖8所示，工作于不同升壓模式下時(shí)開關(guān)S3、S4、S5、S6的控制信號(hào)波形如圖9所示。工頻變壓器工頻變壓器Tl主要是為了將得到的電壓Ur串入市電輸入U(xiǎn)in中。電路如圖3所示， 圖中工頻變壓器Tl的初級(jí)繞組為nl，其次級(jí)繞組為n2。匝比即N=nl/n2。次級(jí)輸出電壓為 Ur0其工作于升壓模式時(shí)，相應(yīng)電壓波形如圖10所示；其工作于降壓模式時(shí)，相應(yīng)電壓波形如圖11所示；
根據(jù)上面記述的本發(fā)明，由于使用了開關(guān)Si、S2、S3、S4、S5、S6，其中開關(guān)Si、S2為高頻交流開關(guān)，開關(guān)S3、S4、S5、S6為低頻交流開關(guān)。引入了 BUCK變換器以及橋式極性變換來(lái)作為交流穩(wěn)壓器的主要構(gòu)成部分。。
權(quán)利要求
1.一種基于BUCK變換器的串聯(lián)式交流穩(wěn)壓器，其特征在于它由依次電聯(lián)的BUCK變換器、橋式極性變換器、工頻變壓器構(gòu)成；從市電輸入電壓中取得交流電能后，經(jīng)過(guò)一個(gè)由開關(guān)Sl、開關(guān)S2、電感Ll、電容Cl構(gòu)成的BUCK變換器得到一個(gè)與市電輸入電壓相位相同、 頻率相同、電壓幅值可變的電壓；再將此電壓送往由開關(guān)S3、開關(guān)S4、開關(guān)S5、開關(guān)S6構(gòu)成的橋式極性變換器，從而得到與市電輸入電壓相位可變、頻率相同、電壓幅值可變的電壓； 再將此電壓接入工頻變壓器的初級(jí)繞組，從而在其次級(jí)繞組得到與初級(jí)同頻同相的電壓， 再將此隔離得到的電壓串入市電輸入中，從而得穩(wěn)壓輸出。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于BUCK變換器的串聯(lián)式交流穩(wěn)壓器，其特征在于所述開關(guān)Si、開關(guān)S2均為交流開關(guān)，由兩個(gè)參數(shù)一致的N溝道增強(qiáng)型MOS管構(gòu)成反串聯(lián)而構(gòu)成。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于BUCK變換器的串聯(lián)式交流穩(wěn)壓器，其特征在于所述開關(guān)S3、開關(guān)S4、開關(guān)S5、開關(guān)S6均為交流開關(guān)，由雙向可控硅而構(gòu)成。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種基于BUCK變換器的串聯(lián)式交流穩(wěn)壓器，它由依次電聯(lián)的BUCK變換器、橋式極性變換器、工頻變壓器構(gòu)成；從市電輸入電壓中取得交流電能后，經(jīng)過(guò)一個(gè)由開關(guān)S1、開關(guān)S2、電感L1、電容C1構(gòu)成的BUCK變換器得到一個(gè)與市電輸入電壓相位相同、頻率相同、電壓幅值可變的電壓；再將此電壓送往由開關(guān)S3、開關(guān)S4、開關(guān)S5、開關(guān)S6構(gòu)成的橋式極性變換器，從而得到與市電輸入電壓相位可變、頻率相同、電壓幅值可變的電壓；再將此電壓接入工頻變壓器的初級(jí)繞組，從而在其次級(jí)繞組得到與初級(jí)同頻同相的電壓；再將此隔離得到的電壓串入市電輸入中，從而得穩(wěn)壓輸出。
文檔編號(hào)H02M5/10GK102427298SQ20111041805
公開日2012年4月25日 申請(qǐng)日期2011年12月15日 優(yōu)先權(quán)日2011年12月15日
發(fā)明者楊杰, 焦向全, 王賢江, 石玉, 鐘慧 申請(qǐng)人:電子科技大學(xué)