功率電子同學必須認真吃透的文章（重點ｂ）
ａ 新型epwm斬波器式交流穩壓電源的原理分析
摘要：敘述了新型epwm斬波器式交流穩壓電源的基本工作原理與方法。
關鍵詞：等脈寬調變；斬波器；交流穩壓電源
引言 隨著高新技術的發展，越來越多的高精密負載對輸入電源，特別是對交流輸入電源的穩壓精度要求越來越高。但是，由於電力供求矛盾的存在，市電電網電壓的波動較大，不能滿足高精密負載的要求，需要在市電電網與負載之間增設一台高穩壓精度的寬穩壓範圍的交流穩壓電源。
交流穩壓電源形式有很多種，目前應用較多的三相柱式交流穩壓器，由於用的是機械傳動和碳刷觸點進行調節，因而存在工作壽命短、可靠性差、動態響應慢等缺點。正在被一種無觸點多補償變壓器式交流穩壓電源所取代。
圖1 「補償」的概念有補足和抵消兩種意思。所謂多補償變壓器式交流穩壓電源，就是用多個（一般是2～4個）補償變壓器，將其次級串入主電路中，通過由雙向閘流體或固態繼電器組成的「多全橋」變換電路，採用有選擇的切換或通過切換串入補償變壓器的個數進行有級補償，來達到穩壓目的。由於沒有機械傳動和碳刷，因而提高了壽命與動態反應速度，使交流穩壓電源的整體效能大大提高。
但也存在著一些缺點，諸如只能有級調壓，調節精度不高，使用的補償變壓器及控制開關較多，電路相對複雜等。本文取其優點、避其缺點，提出了用等脈寬調變（epwm——equal pulsewidthmodulation）高頻斬波器進行補償的交流穩壓電源以供參考。它是作者曾經研製和發表過的「pwm斬波器式交流穩壓電源」的一種改進變形電路（參見電源世界2023年第1期及電源技術應用2023年第3期），比原電路更簡單，也更合理一些。
圖21 工作原理
epwm斬波式交流穩壓電源的簡化原理電路如圖1所示。它是由主電路和控制電路兩部分組成的。主電路是由epwm橋式斬波器v1～v4及其輸出變壓器tr、直流整流電源vd1～vd4和輸出交流濾波器lf、cf組成。
橋式斬波器通過其輸出變壓器tr的次級串聯在市電電源與負載之間，以便對市電電壓的波動進行正、負補償。橋式斬波器輸出電壓中的諧波，由濾波器lfcf來濾除。橋式斬波器所需的直流電源，由取自穩壓電源輸出端的市電電源，通過整流器vd1～vd4來供給。
這裡應該指出的是，epwm橋式斬波器v1～v4並不是工作在逆變器狀態，而是工作在橋式斬波器狀態。這是由它的epwm工作方式、直流電源電壓波形和直流電容cd值的大小及其功能來區分的。如圖2所示，橋式斬波器的直流電壓，不是通過電容cd把整流電壓濾波成恆定的平滑直流電壓，而是仍然為單相橋式整流電壓的波形。
直流電容cd不再具有直流濾波功能，而只是為了創造乙個續流通路而設定的。對於感性負載，在乙個斬波開關週期內續流的能量是很小的（由於斬波頻率較高），所以cd的值也很小，cd的充放電速度很快，不會影響整流電壓的上公升或下降速度，使cd上的電壓與不濾波的整流電壓波形相同。也就是說，由於電容cd的值很小，它只允許續流電流通過，不再具有直流濾波功能，因此對整流波形不產生影響。
這就說明橋式斬波器是工作在epwm斬波狀態，而不是工作在逆變狀態。斬波式交流穩壓電源的控制電路，是由市電輸入電壓整流檢測電路、比較電路、epwm電路和橋式斬波器開關v1～v4工作狀態的切換和觸發電路組成。在市電電壓整流檢測電路中，加入對濾波電感lf上的電壓檢測，是為了減小濾波電感lf的電抗對穩壓精度的影響。
epwm斬波器式交流穩壓電源工作原理如圖1所示。當市電電壓波動時，通過對市電輸入電壓us及濾波電感lf上電壓的整流檢測電路，得到電壓訊號將us,l與基準參考電壓ur進行比較，得到誤差電壓δu。當us,l>ur時（市電電壓上波動）得動＋δu，＋δu使epwm調製器中的比較器u2不能工作，只能使比較器u1工作，＋δu通過與三角波uc在u1中進行比較，在＋δu大於三角波的部分產生出epwm脈衝訊號，此訊號通過「狀態切換觸發電路」對橋式斬波器中的開關管v1～v4進行控制，在其輸出變壓器tr次級產生負補償電壓－uco，使負載電壓ul=us－uco=ur；當us,l圖3
對市電電壓的正、負補償，是通過狀態切換觸發電路，切換橋式斬波器中開關管v1～v4的工作順序來實現的。如果對應於市電的正半周讓v1及v4導通，對應於市電的負半周讓v2及v3導通，是對市電電壓進行正補償，如圖2中的虛線路徑所示。對應於市電正半周讓v2及v3導通，對應於市電負半周v1及v4導通，就是對市電電壓進行負補償，如圖2中點劃線路徑所示。
採用圖2所示主電路對市電電壓波動進行補償的關鍵有兩點：一是epwm；二是電容cd的值要小到不影響整流電壓ucd的變化，即使cd小到不再具有直流濾波功能。
2 epwm調製及正弦斬波電壓的生成
圖1所示交流穩壓電路的epwm，與正弦斬波電壓的生成如圖3所示。其中圖3(a)為整流器vd1～vd4的交流輸入電壓波形，圖3(b)為直流電容cd上的電壓波形，圖3(c)為epwm，圖3(d)為epwm產生的橋式斬波器中開關管v1～v4的觸發脈衝波形，圖3(e)即為epwm正弦斬波電壓波形，圖3(f)為tr初級補償電壓波形。
epwm是由於2023年首先提出來的。其原理是採用用直流形式表示的誤差電壓δu與三角波電壓uc進行比較如圖3(c)所示，在直流誤差電壓δu大於三角波電壓的部分產生出等脈寬調變脈衝，如圖3(d)所示。
用圖3(d)的等脈寬調變脈衝去觸發橋式斬波器中相應的開關管v1～v4，就可以在橋式斬波器的兩橋臂中點a和b之間產生出epwm正弦斬波電壓波形，如圖3(e)所示。經過濾波器lfcf濾波後，就可以在變壓器tr初級得到正弦補償電壓uab1，如圖3(f)所示。uab1在tr次級產生補償電壓uco。
當對市電電壓進行正補償時，補償電壓uco與市電電壓相位相同；當對市電電壓進行負補償時，補償電壓uco與市電電壓相位相反。圖3是針對正補償情況畫出來的，對負補償也可以畫出相應的波形圖。
對於圖3(e)所示的epwm正弦斬波電壓波形，為了使此波形具有半波奇對稱，和四分之一波偶對稱，以消除其傅利葉級數中的余弦項和正弦項中的偶次諧波，使載波比n=fc/f=4k，即三角波頻率fc為市電頻率f的4整數倍。調製比m=δt/tδ=δu/ucm，δt為脈衝寬度，tδ=1/fc為三角波週期、ucm為三角波幅值，如圖3（e）所示。可知，m=δt/tδ就是epwm正弦斬波電壓波形的占空比d，即m=δt/tδ=d。
載波三角波的方程式為
當調製電平為δu時，可求出觸發脈衝起始點ti和終止點ti＋1的方程式。
則脈衝寬度為
式中：tδ=2π/n。
各觸發脈衝的起始角和終止角的數值為
……由圖3(e)可以看出，epwm正弦斬波電壓波形是鏡對稱和原點對稱，因此，在它的傅利葉級數中將不包含余弦項和正弦項中的偶次諧波，只包含正弦項中的奇次諧波，即
對於基波，n=1。由於被epwm斬波的波形是正弦波，即f(ωt)=umsinωt，所以
對於諧波，則
所以epwm正弦斬波電壓的傅利葉級數表示式為
考慮到tr的變比ξ:1，補償電壓uco表示式為
用lfcf濾除高次諧波後得到補償電壓為
由式（8）中的諧波幅值(um/kπ)sinkdπ可以算出，當載波三角波頻率fc=10khz，n=200，d=0.1～0.9時，基波與各次諧波的幅值如表1所列。
基波和各次諧波與調製比亦即占空比d的關係曲線如圖4所示。可知epwm正弦斬波電壓的諧波頻率與載波比n成正比，n越大諧波頻率越高，所需的濾波器lfcf的引數值也越小。所以，根據表1及圖4可以計算lf及cf的值。
表1 基波與各次諧波的幅值（fc=10khz，n=200）
交流開關穩壓電源
技術分類 電源技術 2010 07 27 現代電子技術許金星徐昌華 目前，空間技術 計算機 通訊 雷達及家電中的電源逐漸被開關電源所取代。現在一般應用的串聯調整穩壓電源是連續控制的線性穩壓電源。這種傳統的串聯穩壓器 調整管總是工作在放大區，流過的電流是連續的，這種穩壓器的缺點是承受過載和短路的能力差...
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