新型高性價比互補開關(guān)分調(diào)式交流穩(wěn)壓技術(shù)

摘要：介紹一種新型高性價比互補開關(guān)分調(diào)式交流穩(wěn)壓電源，并認(rèn)為此項新技術(shù)具有很好的應(yīng)用前景。

關(guān)鍵詞：穩(wěn)壓電源互補開關(guān)式

A Noval High P/C Ratio Complemented TAP Switching AC Regulater

Abstract:This paper introduces a noval high P/C ratio complemented tap switching AC requlater,and the author predicted that the new technique would has very good applications in the future.

Keywords:Regulater, Complemented TAP switching

中圖法分類號：TN86文獻標(biāo)識碼：A文章編號：0219?2713(2000)12－621－05

1引言

從應(yīng)用角度來看，交流穩(wěn)壓器在許多場合仍為不可缺少的設(shè)備。從技術(shù)上來說，較穩(wěn)定的交流電壓可以顯著地提高用電設(shè)備的可靠性與經(jīng)濟性，即使UPS也不例外?，F(xiàn)在電力配電趨向于集中監(jiān)控分布供電的方式，因此功率容量在20kW～60kW的價廉物美的三相交流穩(wěn)壓器有較大市場。

提高交流穩(wěn)壓器使用性能，降低成本，是交流穩(wěn)壓器的使用價值所在。這些性能是：

（1）成本較低（即售價只有市售交流穩(wěn)壓器的一半以下)；

（2）穩(wěn)壓范圍極寬，源電壓的下限能低至額定電壓的70％以下，上限能達到額定電壓的115％以上；

（3）具有較強的對EMI/RFI的抑制功能；

（4）高可靠性、大功率。

具有與UPS這樣鮮明差異的性能要求與使用目的的產(chǎn)品，必有它的市場存在價值。

能達到上述性能要求的交流穩(wěn)壓器是自耦變壓器抽頭開關(guān)分調(diào)型與伺服電機驅(qū)動接觸調(diào)壓變壓器型兩類。其中第一類又分為繼電器型電磁開關(guān)式與電力電子開關(guān)型固態(tài)開關(guān)式兩種。這種穩(wěn)壓技術(shù)也分為直接抽頭分級變比調(diào)壓式與連續(xù)無級補償調(diào)壓式。對上述各類穩(wěn)壓技術(shù)原理分析可知：繼電器開關(guān)直接抽頭分級變化比補償調(diào)壓式成本為低、結(jié)構(gòu)亦較合理。

圖1為其電原理圖。該電路的突出優(yōu)點是：價格最低、效率最高、體積最小、重量最輕；此外還具有輸入范圍寬、波形失真小、電路簡單、可靠等優(yōu)點。缺點是：輸出穩(wěn)壓精度差、調(diào)壓時會發(fā)生電壓階躍跳變而產(chǎn)生電磁干擾；此外繼電器觸點在接通或分?jǐn)嘧儔浩鞒轭^線圈時，不可避免地會發(fā)生觸點抖動、回跳，從而產(chǎn)生電弧、瞬間斷電等電磁干擾和不安全因素；更重要的是繼電器的觸點容量是以電阻性負(fù)載定義的，用于鐵磁變壓器、電感性負(fù)載時要降額使用，一般小于額定值的1/3。因此，這種穩(wěn)壓技術(shù)只能用在普通要求不高的小功率交流穩(wěn)壓器上。市面上的“寬限型交流穩(wěn)壓器”就與之類似。小功率UPS也常用此技術(shù)做輸入電壓調(diào)整器。

圖1抽頭分級變比調(diào)壓式電路圖

采用固態(tài)開關(guān)固然可以解決上述缺陷，但也帶來成本顯著提高、散熱器體積增大、電路復(fù)雜、可靠性不會太高等難以解決的弊病。

除了上述兩種不同類型的控制開關(guān)外，還有第三種控制開關(guān)。就是在電磁開關(guān)基礎(chǔ)上，利用電力電子開關(guān)器件作為無觸點開關(guān)與電磁開關(guān)的觸點并聯(lián)，電子開關(guān)的控制電路與電磁開關(guān)的勵磁線圈并聯(lián)，由電子開關(guān)解決開關(guān)的動態(tài)過程，電磁開關(guān)則承擔(dān)穩(wěn)態(tài)開關(guān)過程，構(gòu)成二者優(yōu)勢互補的混和型互補式開關(guān)。顯然，從系統(tǒng)分析來看，對于應(yīng)用面更廣的電磁開關(guān)來說，這種以優(yōu)勢互補而非折衷，也非取代的技術(shù)補償方法可能是一種較佳的很有意義的解決電磁開關(guān)缺陷的方案。為此，國內(nèi)早在70年代末就開展了這方面的研發(fā)工作，對這種混合型互補式開關(guān)進行的實驗，證明了可取得成本低、省材料、無弧通斷、提高電氣壽命等良好效果。然而，實際情況不容樂觀。混合型開關(guān)，一方面擁有固態(tài)開關(guān)與電磁開關(guān)的優(yōu)點，另一方面也繼承了兩者的固有屬性。以成本為例，它不得不包含兩者的主要成本，這樣要使之在價格上與電磁開關(guān)競爭很困難。近年來，國內(nèi)外有關(guān)此類混合型開關(guān)的技術(shù)報道、文獻及專利公告為數(shù)不少，但是能實用轉(zhuǎn)化為商品的則幾乎沒有。我們認(rèn)為其中最主要的原因是由于電磁開關(guān)觸點的吸動和釋放動態(tài)過程是在電磁力與機械彈力、吸力與斥力共同作用下進行的，是一個在時間上不可控的狀態(tài)函數(shù)。因此要滿足混合型開關(guān)中兩類不同開關(guān)在時序控制上的自適應(yīng)互補工作要求，就得外加一些時序控制手段，如加接輔助開關(guān)或繼電器，或要占用接觸器上的輔助開關(guān)，或要附加工頻電流互感器或光電耦合器對狀態(tài)采樣等；或者附加一些不合理的要求，諸如對電磁開關(guān)結(jié)構(gòu)更改、接線方式更改等；此外在工頻下附加的電子開關(guān)電路有較大體積等缺陷，造成不好用、成本偏高或產(chǎn)生新的可靠性問題，因而很多混合型開關(guān)技術(shù)或多或少在體積重量、成本費用、使用要求、可靠性等方面存在嚴(yán)重缺陷。這是一類有代表性的現(xiàn)實問題，即有優(yōu)勢的技術(shù)方案如何實現(xiàn)商品化問題。

圖2 電子開關(guān)電路原事框圖

2互補型開關(guān)分調(diào)式交流穩(wěn)壓技術(shù)

本文提出一種新方法，這種新方法的最主要技術(shù)特征在于將工頻電工技術(shù)問題放在高頻段處理，毫秒級的電磁開關(guān)的不可控開關(guān)動態(tài)問題放在微秒級的高頻電路中解決。這是以電子化手段把電磁開關(guān)的觸點接通或分?jǐn)嗟倪^渡時間分解為高頻時間變量，再加入自適應(yīng)控制方法使之完全可控而得以解決。這樣，不但電磁開關(guān)的過渡過程能被高頻電子開關(guān)互補控制，而且電子開關(guān)的工作時間可被控制在最短，由此解決了上述互補使用上的缺陷。電子產(chǎn)品的價格日益下降，為這項新技術(shù)推廣應(yīng)用提供了必要的物質(zhì)基礎(chǔ)。所用的高頻電力電子技術(shù)不但能在解決電磁開關(guān)缺陷的同時保證高可靠性、低附加成本以及滿足與原有的使用條件完全一致等實際應(yīng)用要求，而且還能使附加的互補開關(guān)組件微型化與輕量化。由于低壓小功率電子元器件體積小而且價廉，因此互補式開關(guān)組件的成本主要依賴于電力電子開關(guān)器件；而采用低成本觸點狀態(tài)實時檢測新技術(shù)，電子開關(guān)的導(dǎo)通時間得到有效的控制，使電子開關(guān)的開關(guān)容量減少了一半，可以基本上不用散熱器，顯著地降低了成本，且高頻變換器體積小、功耗低。這兩項新技術(shù)用于互補式組件，解決了混合型技術(shù)成本高、體積大的難題。此外，由于電子開關(guān)的自適應(yīng)互補，電磁開關(guān)的操作頻次可以顯著提高。從理論上來說，只要電子開關(guān)有足夠大的散熱器，則操作頻次僅受電磁開關(guān)的吸合時間與釋放時間兩個過渡過程時間之和的限制，這樣操作時間可以從秒數(shù)量級提高到數(shù)十毫秒級，這對于需要頻繁操作的特殊應(yīng)用領(lǐng)域，很有意義。由于新技術(shù)針對電磁開關(guān)不同工作條件與不同負(fù)載采用具有自我防護的工作方式，因此保證了電子開關(guān)的安全工作與可靠性，使混合型開關(guān)的失效率有可能低于電磁開關(guān)。由于高壓半導(dǎo)體器件的價格仍較高，因此混合型開關(guān)只能局限于低壓電路，宜作為單極（即SPST－NO、SPST－NC）控制開關(guān)電器使用，這點正適合作為以市電為對象的分調(diào)開關(guān)調(diào)壓電路使用。

按此原理，我們研制開發(fā)成功一種高頻電力電子互補式開關(guān)新技術(shù)。以此新方法研發(fā)的新型混合式開關(guān)（其核心高頻電力電子互補式開關(guān)組件的電原理框圖見圖2，該組件簡稱CS）含兩大新技術(shù)。其一是采用廉價的高頻直流變換器與場控型電力電子開關(guān)器件作為CS的核心電路。高頻直流變換器為成本最低的經(jīng)改進的FLYBACK型變換器。場控型電力電子開關(guān)器件，如功率場效應(yīng)管（MOSFET）驅(qū)動功率最小，保證了組件的微型化。高頻開關(guān)變換器為電力電子開關(guān)器件提供可控的驅(qū)動電壓源，開關(guān)變換器工作頻率超過20kHz，即可控制的脈寬低于50μs；此外它具有工作效率高、體積小、重量輕、強弱電間電氣隔離良好（使用高頻變壓器）、能適應(yīng)接觸器或繼電器線圈工作電壓不同條件且能加入穩(wěn)壓功能，保證電力電子開關(guān)器件有最合適的驅(qū)動信號。其二是電磁開關(guān)觸點狀態(tài)低成本實時采樣新電路，該電路特點是不需外接電流互感器、光耦合器等零部件，在高頻變壓器上就可以實現(xiàn)對觸點狀態(tài)的實時快速采樣。觸點狀態(tài)的實時快速檢測就為控制電力電子開關(guān)的最佳互補工作創(chuàng)造了條件。這意味著在滿足互補工作要求下，可以使電子開關(guān)的工作時間最短?？刂齐娐酚呻娮与娐窐?gòu)成，它對電磁開關(guān)的激磁線圈電壓及觸點狀態(tài)檢測，自適應(yīng)地確定電子開關(guān)的導(dǎo)通時間長短及電路接通或關(guān)斷的時序關(guān)系，使得僅在電磁開關(guān)吸合接通或釋放斷開過渡期間才讓電子開關(guān)導(dǎo)通，以保證電力電子開關(guān)器件有較短的導(dǎo)通時間，其余時間則處于待機節(jié)電狀態(tài)。這一方面降低了電力電子開關(guān)損耗和該組件的功耗，提高了工作可靠性；另一方面降低了對電力電子開關(guān)器件功率容量與電流容量（I2t）的要求，這不但提高了器件的可靠性，而且也是降低成本之關(guān)鍵。電力電子開關(guān)的開關(guān)容量與I2t直接相關(guān)。對于以20ms定義開關(guān)容量的電力電子開關(guān)器件，當(dāng)導(dǎo)通時間設(shè)定為4ms時，其耐浪涌電流能力將提高一倍以上。這意味著可以使用低一個檔級的功率器件，而且可以不用或只用小容量的散熱器。這是新型互補技術(shù)的獨特優(yōu)勢，亦是該新技術(shù)有別于其它混合型互補式技術(shù)的一大特色；正是此特性才能使之有別于固態(tài)開關(guān)，從而確定了其應(yīng)用領(lǐng)域。由于采用電子技術(shù)與高頻電力電子技術(shù)使得組件功耗極小，工作電流亦很小，使得在勵磁電壓斷開時為供給電力電子開關(guān)電能而要預(yù)先儲能的問題易于解決，CS全部由電子元器件構(gòu)成，除電力電子開關(guān)器件和極少數(shù)元件外，其它元器件均為小功率且在較低直流電壓下工作，這就為CS組件的集成化奠定了基礎(chǔ)，集成化將使該組件成本更低、體積更小。因此，高頻處理方式具備了實現(xiàn)互補式技術(shù)商品化的條件。表1為電子開關(guān)基本工作模式表，表2為三種工作模式下電子開關(guān)的控制信號要求，圖3為電力電子開關(guān)器件的電路圖，圖4為其開關(guān)狀態(tài)圖。

3實驗結(jié)果圖2電子開關(guān)電路原理框圖

以表1的控制方式，對CS組件進行嚴(yán)酷條件下

表1電子開關(guān)基本工作模式表

表2三種工作模式下電子開關(guān)的控制信號要求

表2中H表示UV為高電平時開關(guān)斷開。

圖3電力電子開關(guān)器件的電路圖

(a)作為直流開關(guān)使用時（b）作為交流開關(guān)使用時

圖4電子開關(guān)三種工作模式及其開關(guān)狀態(tài)示意圖

（a）電磁開關(guān)為常開觸點NO時
（b）電磁開關(guān)為常閉觸點NC時

圖中UC為控制電壓，Uk為電磁開關(guān)觸點上的電壓，UV1、UV2、UV3為與電磁開關(guān)互補工作三種模式中的電子開關(guān)上的電壓。

的實驗。實驗電路如圖5所示。圖中Ue為幅度等于12V的矩形波發(fā)生器，用于對電磁開關(guān)的勵磁供電和控制；K為JQX15F繼電器，其參數(shù)為：勵磁電壓為12V，觸點負(fù)載為220VAC（或28VDC），30A，阻性。電力電子開關(guān)器件為IRF840，其參數(shù)為：U(BR)DS=500V，IDM=8A，RDS（ON）=0.85Ω。T為TDGC－5型5kW調(diào)壓器，RL為滑線電阻器，Ri為0.1Ω電阻，用于電流采樣，IS=URi/Ri。以電磁開關(guān)的兩類嚴(yán)酷工作條件為實驗條件分別進行如下實驗：

（1）直流感性負(fù)載通斷實驗：設(shè)置UO=30VDC。

①只用繼電器進行試驗，調(diào)整RL，負(fù)載電流為6A時，此時繼電器觸點電壓、電流波形見圖6，觸點發(fā)生明亮的電弧，觸點斷開時的電壓尖峰超過1kV。

②將CS組件按圖3（b）控制方式與繼電器互補使用，調(diào)整RL，負(fù)載電流約為16A，為電子開關(guān)電流IDM的兩倍，并使勵磁電壓的頻率提高一倍，此時繼電器觸點電壓、電流波形見圖7，觸點沒有發(fā)出火星（打開繼電器外殼觀察），從圖可明顯看到電子開關(guān)在通斷過渡過程中的作用（波形中存在一個臺階）。

（2）接通浪涌沖擊負(fù)載實驗，設(shè)置UO=220VAC。

①只用繼電器進行試驗，由于負(fù)載為鐵磁可飽和變壓器，繼電器觸點電壓、電流波形見圖8，觸點發(fā)生火花，浪涌電流達52A。

②將CS組件以圖1交流開關(guān)方式接線，按圖

圖5實驗電路圖

圖6電磁繼電器的直流感性負(fù)載通斷試驗波形圖

圖7混合型開關(guān)的直流感性負(fù)載通斷試驗波形圖

圖8電磁繼電器的接通浪涌沖擊負(fù)載試驗波形圖

圖9混合型開關(guān)的接通浪涌沖擊負(fù)載試驗波形圖

3接入實驗電路，以本文所述控制方式與繼電器互補使用，在電子開關(guān)上串聯(lián)一個小阻值電阻（R=3Ω），此時繼電器觸點電壓、電流波形見圖9，觸點不產(chǎn)生火花，圖中可明顯看出由于電子限流作用，變壓器不致進入深飽和，接通電流減小一半，大大降低了接通涌流。

此外，對CS組件的輸入電流測量得到：工作時為13mA，待機時為5mA.

4結(jié)語

應(yīng)用高頻互補技術(shù)，提高了電磁開關(guān)的性能，拓寬了電磁開關(guān)的應(yīng)用場所，縮小了與固態(tài)開關(guān)的性能差異。由于該混合型開關(guān)的價格遠(yuǎn)低于固態(tài)開關(guān)，將此技術(shù)用于繼電器開關(guān)連接抽頭分級變比調(diào)壓式交流穩(wěn)壓器，就可實現(xiàn)高性價比。因此本項新技術(shù)具有很好的應(yīng)用前景。