某机载三相交流稳压电源的研制

某机载三相交流稳压电源的研制某机载三相交流稳压电源的研制摘要介绍了某机载三相交流稳压电源的研制情况对电源电路进行了分析、计算和计算机位Mo应用高频脉宽调制斩波调感技术，以MOS场效应管取代了传统的双向晶闸管,用脉宽调制取代了相控技术通过对电路的优化设计，降低了输入谐波电流关键词谐振；交流稳压；计算机仿真Development ofAir-borne3phase ACPower RegulatorMENGYing-wu,DING YuAbstract:The developmentof air-borne3-phase ACpower regulatoris introduced.Theanalysis,calculation,and computeremulation of the circuitare provided.In ordertoreduce theAC sourcecurrent deformation,the replacementofthethyristor controlledreactorby highfreguency pulsewidth controlledreactor andthe substationof MOSFETforTRIAC areused.Keywords:Resonance;ACregulation;Computeremulation1引言本文介绍的机载交流稳压电源的主要功能是为航空电壬系统中的众多传感圈提供交流激磁信号,要求性能稳定、小型轻量、高效率、高可靠性大约在上世纪70年代，国外先进的作战飞机上使用的交流稳压电源，采用了变压器补偿式稳压技术，其原理是用多个补偿变压器组合，通过控制电路,切换补偿变压器进行补偿，补偿是有级的而且所需的补偿变压器和切换开关较多，电路较复杂，补偿精度低由于使用的中频补偿变压器较多，交流稳压电源的体积、重量大近几年来，国内关于交流稳压电源的研究较为活跃，其研究的主要内容一种是线性谐振型技术及其改进;另一种是开关型交流稳压电源线性谐振型（也称正弦能量分配器），它是通过LC谐振参量的改变使交流输出电压得到调整，以连续可调式获得优越的稳压性能主电路中不含电力半导体器件,线路简单、可靠性高但是由于存在输入电压范围不够宽，源端空载无功电流和谐波电流较大，以及容易发生振荡等缺点，使其发展和应用受到了限制，特别是在大功率场合的应用比较少开关型交流稳压电源采用了先进的高频开天电速技术，可以减小体积、重量、节省铜铁材料，具有效率高，响应速度快等优点它先将交流整流成脉动的直流，再通过高频脉宽调制（PWM）技术，将脉动的直流逆变成交流再通过相位跟踪与转换电路取得与输入侧同频同相的补偿电压，加在输入与输出之间，使输出电压稳定这项技术成为当今交流稳压电源技术发展的方向但是，由于开关型交流稳压电源控制电路较复杂，国内微电子技术及其工艺技术发展较慢，目前还不可能提供专用控制芯片,所以难于推广本文结合型号任务的研制，对线性谐振型交流稳压电源进行了研究，用先进的高频开关M0S场效应管取代传统的双向晶闸管，用高频PWM取代相控技术通过对电路的优化设计，减小了谐波电流调试和试验表明，该产品的控制电路简单，波形失真度小，性能稳定，已经用于某型号任务中2电路设计及计算机仿真

2.1电路基本原理该交流稳压电源的核心是单相36V400HzAC/AC稳压电路它采用的是高频PWM斩波器调感法构成的新型交流稳压电源电路，具有产生谐波小，抗各类电磁干扰，稳压精度高，动态响应快等诸多优点其电路原理如图1所示图1高频PWM斩波器式稳压原理图图1中由LI,VI V4,C3,V等构成高频PWM斩波电路为减小MOS场效应管V的开关损耗，〜加入了由电阻，电容和二极管等元器件组成的软开通关断缓冲网络RCDNET o图1中的电感L1和高频PWM斩波支路，可用一等效电感Lx来表示Lx是PWM斩波器中功率场效应管V导通占空比的函数经推导［3］可得Lx=L1/D1式中D为V管的导通占空比同理，图1中LxC2并联电路的阻抗Z也是D的函数Z=L/1-2C2L2J XOG X式中3为输入源Uin的角频率当输入电压降低或负载加重引起输出电压降低时，D增大，LxC2支路呈感性，支路电流在线性电感N2线圈上的压降与Uin同相，耦合至U N3线圈上的电压UN3与Uin串联相加后补偿了输入电压的不足当输入电压升高或负载减轻引起输出电压升高时，D减小，LxC2支路呈容性，支路电流在线性电感N2线圈上的压降与Uin反相，耦合到N3线圈上的电压UN3与Uin串联相减后抵消了过剩的输入电压由以上分析可知，通过对输出电压进行采样闭环反馈控制导通占空比D的大小，自动改变N3线圈上电压的大小和相位，可实现输出电压的稳定

2.2电路参数选择将L1和高频PWM斩波器支路等效为一电感Lx后，则图1电路为一线性电路，将其中的耦合电感L2,L3进行去耦等效，并忽略L4,C1滤波支路后，对等效电路运用基尔霍夫定律列回路方程可解得式中:Lm=Lx/（l-（o2C2Lx）0由于Uin与Uout基本同相，故忽略两者的相位差可得□|=-101

（4）式中M==l为耦合电感L2,L3的互感根据式

（4）所提供的输入和输出电压之间的函数关系式，即可根据系统需求确定□、L

2、L3,从而设计出满足性能要求的主电路在实际的电路参数选择中，为加快设计速度，提高设计质量，采用根据工程估算并结合仿真软件进行优化设计的方法根据以下原则估算LI,L2,L3等参数1）由电感L2,L3,C2等构成正弦能量分配网络，其自然谐振频率应设在输入源频率的

1.32倍之间

[3],以保证源频率变化时对网络影响较小，在本设计中由于源频率为400Hz,故网络谐振频〜率应取为520800Hz；〜2）N3/N2是决定输入电压范围的主要参数，N3/N2过小时，输入电压的范围不够宽，N3/N2过大时，则导致系统的瞬态响应特性变坏，负载适应能力下降，实际的N3/N2取

0.

40.7,可获得良〜好的瞬态响应性能和负载特性等指标；3）电路中由于谐波失真等指标的限制，口不能过小在实际的开关控制中,由于采用的是高频PWM斩波方式，输出的高次谐波只要用小容量的电容塞C3即可消除这样当源频率为400Hz时，取PWM开关频率为80kHz,主电路中Ll=20niH时C3=

0.1口F即可滤掉高频斩波器中的高次谐波；4）在主电路中，N4和C1支路具有滤波和减少电流波形失真的功能电容C1的取值不可过大当C1值过分增大时，电路的调节极性将逆转，不再具有稳压功能

2.3电路计算机仿真根据上述原则估算得出一组参数值后，在输出为AC36V400Hz50VA的条件下，运用“IsSpice4〃模拟及数字混合电路仿真软件对主电路进行仿真仿真电路如图2所示图2主电路的仿真电路图在仿真电路中，分别用电压源V2和VI等效输入源和PWM高频脉冲源，输出负载用一纯电阻等效在输入分别为AC29V400Hz和AC45V400Hz的条件下，电路输入和输出的仿真波形如图3所示⑸输入为AC45V400Hz时仿真波形b输入为AC29V400Hz时仿真波形图3仿真输入与输出电压波形由以上仿真结果可以看出，当输入源从AC2945V400Hz变化时，输出始终稳定在AC36V〜400Hz上3结构设计结构设计主要考虑机械强度和散热本文介绍的三相交流稳压电源为箱体结构，变压器及电感安装在箱体上以加强机械强度和散热效果控制电路为插件形式，提高了电路的互换性和可维护性电气连接通过接插件和母板连接，接口的电气连接通过前面板航空连接器,实现机箱内外电气连接锁紧装置将插件和机箱连为一起4实验结果由于高频PWM斩波调感式稳压电路具有各相电压可以分别调整的特点，故容易制成三相平衡式交流稳压电源依据以上电路制成了总输出功率为150VA400Hz的三相交流稳压电源其中，开关M0S场效应管使用了宇航级器件，PWM使用了军品883级器件，线性电感使用了豆形带气隙的新型材料和特殊工艺实测的三相交流稳压电源在输入分别为AC29V400Hz和AC45V400Hz的条件下输入和输出电压波形如图4所示图5给出了在额定条件下对输出进行快速傅立叶变换FFT所得的频谱分析图a输入为AC45V400HZ时实测波形（b）输入为AC29V400Hz时实测波形图4实测输入与输出电压波形图5额定条件下输出波形的频谱分析图由图4可见，实测波形与仿真波形吻合的较好，验证了仿真结果的正确性由图5可见，除400Hz基波外，输出基本无谐波分量对该三相交流稳压电源进行测试，其主要技术指标如下——电压稳定度W1%；——负载稳定度W1%；——效率？288%（输出满载时）；——三相输出电压相位差120°；——输出波形失真度？＜3%（设供电电压基本无失真）5结语改进的线性谐振型交流稳压电遮的空载电流和谐波电流比传统的晶闸管调感电源小（实际上，电源可长时间空载），输入稳压范围虽然较窄，但是，完全可以满足实际使用要求系统稳定、可靠，在小功率应用场合有一定的推广价值该技术已成功地用于某机载产品的研制中今后，还应进一步优化电路设计，降低M0S场效应管开关噪声和开关损耗参考文献

[1]刘凤君.交流调感稳压电源中等效电感的分析[J].电源技术应用，2001

（4）

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[3]林周布.线性谐振型交流稳压技术的分析与研究[J].电源技术应用，19996。