本文介紹的機(jī)載交流穩(wěn)壓電源的主要功能是為航空電子系統(tǒng)中的眾多傳感器提供交流激磁信號，要求性能穩(wěn)定、小型輕量、高效率、高可靠性。大約在上世紀(jì)70年代，國外先進(jìn)的作戰(zhàn)飛機(jī)上使用的交流穩(wěn)壓電源，采用了變壓器補(bǔ)償式穩(wěn)壓技術(shù)，其原理是用多個(gè)補(bǔ)償變壓器組合，通過控制電路，切換補(bǔ)償變壓器進(jìn)行補(bǔ)償，補(bǔ)償是有級的。而且所需的補(bǔ)償變壓器和切換開關(guān)較多，電路較復(fù)雜，補(bǔ)償精度低。由于使用的中頻補(bǔ)償變壓器較多，交流穩(wěn)壓電源的體積、重量大。

    近幾年來，國內(nèi)關(guān)于交流穩(wěn)壓電源的研究較為活躍，其研究的主要內(nèi)容一種是線性諧振型技術(shù)及其改進(jìn);另一種是開關(guān)型交流穩(wěn)壓電源。線性諧振型（也稱正弦能量分配器），它是通過LC諧振參量的改變使交流輸出電壓得到調(diào)整，以連續(xù)可調(diào)式獲得優(yōu)越的穩(wěn)壓性能。主電路中不含電力半導(dǎo)體器件，線路簡單、可靠性高。但是由于存在輸入電壓范圍不夠?qū)?，源端空載無功電流和諧波電流較大，以及容易發(fā)生振蕩等缺點(diǎn)，使其發(fā)展和應(yīng)用受到了限制，特別是在大功率場合的應(yīng)用比較少。開關(guān)型交流穩(wěn)壓電源采用了先進(jìn)的高頻開關(guān)電源技術(shù)，可以減小體積、重量、節(jié)省銅鐵材料，具有效率高，響應(yīng)速度快等優(yōu)點(diǎn)。它先將交流整流成脈動(dòng)的直流，再通過高頻脈寬調(diào)制（PWM）技術(shù)，將脈動(dòng)的直流逆變成交流。再通過相位跟蹤與轉(zhuǎn)換電路取得與輸入側(cè)同頻同相的補(bǔ)償電壓，加在輸入與輸出之間，使輸出電壓穩(wěn)定。這項(xiàng)技術(shù)成為當(dāng)今交流穩(wěn)壓電源技術(shù)發(fā)展的方向。但是，由于開關(guān)型交流穩(wěn)壓電源控制電路較復(fù)雜，國內(nèi)微電子技術(shù)及其工藝技術(shù)發(fā)展較慢，目前還不可能提供專用控制芯片，所以難于推廣。

    本文結(jié)合型號任務(wù)的研制，對線性諧振型交流穩(wěn)壓電源進(jìn)行了研究，用先進(jìn)的高頻開關(guān)MOS場效應(yīng)管取代傳統(tǒng)的雙向晶閘管，用高頻PWM取代相控技術(shù)。通過對電路的優(yōu)化設(shè)計(jì)，減小了諧波電流。調(diào)試和試驗(yàn)表明，該產(chǎn)品的控制電路簡單，波形失真度小，性能穩(wěn)定，已經(jīng)用于某型號任務(wù)中。

2   電路設(shè)計(jì)及計(jì)算機(jī)仿真

2.1   電路基本原理

    該交流穩(wěn)壓電源的核心是單相36V400HzAC/AC穩(wěn)壓電路。它采用的是高頻PWM斬波器調(diào)感法構(gòu)成的新型交流穩(wěn)壓電源電路，具有產(chǎn)生諧波小，抗各類電磁干擾，穩(wěn)壓精度高，動(dòng)態(tài)響應(yīng)快等諸多優(yōu)點(diǎn)。其電路原理如圖1所示。

圖1  高 頻 PWM斬 波 器 式 穩(wěn) 壓 原 理 圖

    圖1中由L1，V1～V4，C3，V等構(gòu)成高頻PWM斬波電路。為減小MOS場效應(yīng)管V的開關(guān)損耗，加入了由電阻，電容和二極管等元器件組成的軟開通關(guān)斷緩沖網(wǎng)絡(luò)（RCDNET）。

    圖1中的電感L1和高頻PWM斬波支路，可用一等效電感Lx來表示。Lx是PWM斬波器中功率場效應(yīng)管V導(dǎo)通占空比的函數(shù)。經(jīng)推導(dǎo)[3]可得：

                          Lx=L1/D           (1)

式中：D為V管的導(dǎo)通占空比。

    同理，圖1中LxC2并聯(lián)電路的阻抗Z也是D的函數(shù):

                  Z=jLxω/(1－ω2C2Lx)     （2）

式中：ω為輸入源Uin的角頻率。

    當(dāng)輸入電壓降低或負(fù)載加重引起輸出電壓降低時(shí)，D增大，LxC2支路呈感性，支路電流在線性電感N2線圈上的壓降與Uin同相，耦合到N3線圈上的電壓UN3與Uin串聯(lián)相加后補(bǔ)償了輸入電壓的不足。

    當(dāng)輸入電壓升高或負(fù)載減輕引起輸出電壓升高時(shí)，D減小，LxC2支路呈容性，支路電流在線性電感N2線圈上的壓降與Uin反相，耦合到N3線圈上的電壓UN3與Uin串聯(lián)相減后抵消了過剩的輸入電壓。

    由以上分析可知，通過對輸出電壓進(jìn)行采樣閉環(huán)反饋控制導(dǎo)通占空比D的大小，自動(dòng)改變N3線圈上電壓的大小和相位，可實(shí)現(xiàn)輸出電壓的穩(wěn)定。

2．2  電路參數(shù)選擇

    將L1和高頻PWM斬波器支路等效為一電感Lx后，則圖1電路為一線性電路，將其中的耦合電感L2，L3進(jìn)行去耦等效，并忽略L4，C1濾波支路后，對等效電路運(yùn)用基爾霍夫定律列回路方程可解得:

  =(3)

式中：Lm=Lx/(1－ω2C2Lx)。

    由于Uin與Uout基本同相，故忽略兩者的相位差可得：

  ||=·||(4)

式中：M=為耦合電感L2，L3的互感。

    根據(jù)式（4）所提供的輸入和輸出電壓之間的函數(shù)關(guān)系式，即可根據(jù)系統(tǒng)需求確定L1、L2、L3，從而設(shè)計(jì)出滿足性能要求的主電路。

    在實(shí)際的電路參數(shù)選擇中，為加快設(shè)計(jì)速度，提高設(shè)計(jì)質(zhì)量，采用根據(jù)工程估算并結(jié)合仿真軟件進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)的方法。

    根據(jù)以下原則估算L1，L2，L3等參數(shù)：

    1)由電感L2，L3，C2等構(gòu)成正弦能量分配網(wǎng)絡(luò)，其自然諧振頻率應(yīng)設(shè)在輸入源頻率的1.3～2倍之間[3]，以保證源頻率變化時(shí)對網(wǎng)絡(luò)影響較小，在本設(shè)計(jì)中由于源頻率為400Hz，故網(wǎng)絡(luò)諧振頻率應(yīng)取為520～800Hz；

    2)N3/N2是決定輸入電壓范圍的主要參數(shù)，N3/N2過小時(shí)，輸入電壓的范圍不夠?qū)?，N3/N2過大時(shí)，則導(dǎo)致系統(tǒng)的瞬態(tài)響應(yīng)特性變壞，負(fù)載適應(yīng)能力下降，實(shí)際的N3/N2取0.4～0.7，可獲得良好的瞬態(tài)響應(yīng)性能和負(fù)載特性等指標(biāo)；

    3)電路中由于諧波失真等指標(biāo)的限制，L1不能過小。在實(shí)際的開關(guān)控制中，由于采用的是高頻PWM斬波方式，輸出的高次諧波只要用小容量的電容器C3即可消除。這樣當(dāng)源頻率為400Hz時(shí)，取PWM開關(guān)頻率為80kHz，主電路中L1=20mH時(shí)C3=0.1μF即可濾掉高頻斬波器中的高次諧波；

    4)在主電路中，N4和C1支路具有濾波和減少電流波形失真的功能。電容C1的取值不可過大。當(dāng)C1值過分增大時(shí)，電路的調(diào)節(jié)極性將逆轉(zhuǎn)，不再具有穩(wěn)壓功能。

2．3  電路計(jì)算機(jī)仿真

    根據(jù)上述原則估算得出一組參數(shù)值后，在輸出為AC36V400Hz50VA的條件下，運(yùn)用“IsSpice4"模擬及數(shù)字混合電路仿真軟件對主電路進(jìn)行仿真。仿真電路如圖2所示。

圖2  主 電 路 的 仿 真 電 路 圖

    在仿真電路中，分別用電壓源V2和V1等效輸入源和PWM高頻脈沖源，輸出負(fù)載用一純電阻等效。在輸入分別為AC 29V 400Hz和AC 45V 400Hz的條件下，電路輸入和輸出的仿真波形如圖3所示。

(a)輸 入 為AC 45V 400Hz時(shí) 仿 真 波 形

(b)輸 入 為AC 29V 400Hz時(shí) 仿 真 波 形

圖3  仿 真 輸 入 與 輸 出 電 壓 波 形

    由以上仿真結(jié)果可以看出，當(dāng)輸入源從AC 29～45V 400Hz變化時(shí)，輸出始終穩(wěn)定在AC 36V 400Hz上。

3  結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

    結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)主要考慮機(jī)械強(qiáng)度和散熱。本文介紹的三相交流穩(wěn)壓電源為箱體結(jié)構(gòu)，變壓器及電感安裝在箱體上以加強(qiáng)機(jī)械強(qiáng)度和散熱效果?？刂齐娐窞椴寮问剑岣吡穗娐返幕Q性和可維護(hù)性。電氣連接通過接插件和母板連接，接口的電氣連接通過前面板航空連接器，實(shí)現(xiàn)機(jī)箱內(nèi)外電氣連接。鎖緊裝置將插件和機(jī)箱連為一起。

4  實(shí)驗(yàn)結(jié)果

    由于高頻PWM斬波調(diào)感式穩(wěn)壓電路具有各相電壓可以分別調(diào)整的特點(diǎn)，故容易制成三相平衡式交流穩(wěn)壓電源。依據(jù)以上電路制成了總輸出功率為150VA 400Hz的三相交流穩(wěn)壓電源。其中，開關(guān)MOS場效應(yīng)管使用了宇航級器件，PWM使用了軍品883級器件，線性電感使用了環(huán)形帶氣隙的新型材料和特殊工藝。實(shí)測的三相交流穩(wěn)壓電源在輸入分別為AC 29V 400Hz和AC 45V 400Hz的條件下輸入和輸出電壓波形如圖4所示。圖5給出了在額定條件下對輸 出 進(jìn) 行 快 速 傅 立 葉 變 換 （FFT） 所 得 的 頻 譜 分 析 圖 。

(a)輸入為AC45V400Hz時(shí)實(shí)測波形

(b)輸入為AC29V400Hz時(shí)實(shí)測波形

圖4  實(shí)測輸入與輸出電壓波形

圖5  額定條件下輸出波形的頻譜分析圖

    由圖4可見，實(shí)測波形與仿真波形吻合的較好，驗(yàn)證了仿真結(jié)果的正確性。由圖5可見，除400Hz基波外，輸出基本無諧波分量。

    對該三相交流穩(wěn)壓電源進(jìn)行測試，其主要技術(shù)指標(biāo)如下：

    ——電壓穩(wěn)定度≤1％；

    ——負(fù)載穩(wěn)定度≤1％；

    ——效率≥88％（輸出滿載時(shí)）；

    ——三相輸出電壓相位差120°；

    ——輸出波形失真度≤3％（設(shè)供電電壓基本無失真）。

5  結(jié)語

    改進(jìn)的線性諧振型交流穩(wěn)壓電源的空載電流和諧波電流比傳統(tǒng)的晶閘管調(diào)感電源?。▽?shí)際上，電源可長時(shí)間空載），輸入穩(wěn)壓范圍雖然較窄，但是，完全可以滿足實(shí)際使用要求。系統(tǒng)穩(wěn)定、可靠，在小功率應(yīng)用場合有一定的推廣價(jià)值。該技術(shù)已成功地用于某機(jī)載產(chǎn)品的研制中。今后，還應(yīng)進(jìn)一步優(yōu)化電路設(shè)計(jì)，降低MOS場效應(yīng)管開關(guān)噪聲和開關(guān)損耗。