龔氏半橋和全橋雙向調(diào)節(jié)原理

龔秋聲

（江西洪都航空工業(yè)集團(tuán)老科協(xié) ，南昌 330024）

補(bǔ)償式交流穩(wěn)壓電源的斬波補(bǔ)償電壓調(diào)節(jié)需要雙向調(diào)節(jié)，雙向調(diào)壓方式有兩種：一種是由AC/ DC到DC/AC斬波變換調(diào)壓，通過斬波信號實(shí)現(xiàn)雙向調(diào)壓，另一種是只需要一次AC/AC斬波變換調(diào)壓。由于現(xiàn)有交流斬波電路不能通過斬波信號實(shí)現(xiàn)雙向調(diào)壓，并且斬波電路成本高，如何降低成本以及交流斬波雙向調(diào)壓新電路的發(fā)明及其調(diào)節(jié)原理，成為AC/AC交流斬波調(diào)壓交流穩(wěn)壓電源研究的難點(diǎn)和熱點(diǎn)問題。

教科書上交流斬波調(diào)壓電路是只能調(diào)節(jié)輸出交流電壓的單向調(diào)壓電路，其主控電子開關(guān)和續(xù)流電子開關(guān)都是用二極管和三極管組成的全控雙向電子開關(guān)，由于大功率全控器件（IGBT等）構(gòu)成的全控雙向電子開關(guān)模塊要比晶閘管構(gòu)成的雙向電子開關(guān)模塊成本約高3倍，并且過載能力差。文獻(xiàn)[1，2]用2個(gè)單向晶閘管反并聯(lián)，替代教科書交流斬波電路中續(xù)流雙向電子開關(guān)的龔氏交流斬波調(diào)壓電路，使模塊化交流斬波調(diào)壓電路的功率器件成本降低了近1/3，極有利于交流斬波調(diào)壓電路在交流穩(wěn)壓電源和UPS電源中的應(yīng)用。現(xiàn)有交流斬波調(diào)節(jié)的交流穩(wěn)壓電源產(chǎn)品，實(shí)現(xiàn)升壓和降壓雙向調(diào)節(jié)補(bǔ)償電壓要用4～12個(gè)雙向電子開關(guān)倒相才能實(shí)現(xiàn)交流穩(wěn)壓。文獻(xiàn)[3]僅用1塊雙IGBT模塊、1塊雙單向晶閘管模塊和1個(gè)帶3個(gè)中抽頭自耦變壓器的交流穩(wěn)壓電源[4，5]，從而節(jié)省4～12個(gè)倒相雙向電子開關(guān)，但是交流斬波器件要串聯(lián)在交流輸出電源輸出電流主回路中，不太適合100 kVA以上交流穩(wěn)壓電源。因此，文獻(xiàn)[6，7]發(fā)明與半橋和全橋逆變電路相對應(yīng)的龔氏半橋和全橋雙向交流斬波調(diào)壓電路，從中提煉出的龔氏半橋和全橋雙向調(diào)節(jié)原理是研究的一大進(jìn)展。龔氏交流斬波電路、龔氏半橋和全橋雙向調(diào)壓電路和原理能否走進(jìn)世界科學(xué)課堂和教科書[8,9]完全決定于它們在交流電壓調(diào)節(jié)、交流穩(wěn)壓電源和UPS電源中的廣泛應(yīng)用。

1 龔氏半橋雙向調(diào)節(jié)原理

1.1 龔氏交流斬波電路

圖1所示為龔氏交流斬波調(diào)壓電路，它由二極管D1、D2和三極管V1、V2組成的主控雙向電子開關(guān)S1、單向晶閘管V3、V4反向并聯(lián)組成的續(xù)流雙向電子開關(guān)S2、電感電容組成的LC濾波器和控制電路組成。由S1和S2獲得的交流斬波電壓U41，經(jīng)LC濾波器，在輸出端3和1兩端獲得可調(diào)交流電壓U31，與輸入端2和1兩端的交流電壓U21的頻率和相位相同。

龔氏交流斬波調(diào)壓電路是對傳統(tǒng)的交流斬波調(diào)壓電路的重大改進(jìn)，成為當(dāng)代中國大中專院校電工技術(shù)教學(xué)的兩大發(fā)明之一[5]。傳統(tǒng)交流斬波調(diào)壓電路的主控雙向電子開關(guān)S1和續(xù)流電子開關(guān)S2都是由2個(gè)二極管和2個(gè)三極管組成的雙向電子開關(guān)，而本文用圖1所示的2個(gè)單向晶閘管V3、V4反向并聯(lián)的雙向電子開關(guān)替代傳統(tǒng)由2個(gè)二極管和2個(gè)三極管組成的續(xù)流雙向電子開關(guān)S2。由于采用雙IGBT模塊組成的雙向電子開關(guān)的成本要比采用雙SCR模塊組成的雙向電子開關(guān)的成本高3倍，因此，龔氏交流斬波電路器件成本比傳統(tǒng)交流斬波電路器件成本約低1/3，并且可靠性更好，因此，龔氏交流斬波調(diào)壓電路將取代傳統(tǒng)的非互補(bǔ)交流斬波調(diào)壓電路。

應(yīng)特別指出：圖1龔氏交流斬波調(diào)壓電路中,除由2個(gè)二極管和2個(gè)三極管反向組成的主控雙向電子開關(guān)S1之外，還可用1個(gè)三極管的陰極和陽極分別連接在4個(gè)二極管橋式整流輸出正端和負(fù)端的雙向主控電路開關(guān)代替S1，它就是另一種龔氏交流斬波調(diào)壓電路。

圖1 龔氏交流斬波調(diào)壓電路Fig.1 Gong's AC chopping voltage-regulation circuit

1.2 龔氏半橋交流斬波雙向調(diào)節(jié)電路

由于傳統(tǒng)交流斬波調(diào)壓電路和龔氏交流斬波調(diào)壓電路都只能實(shí)現(xiàn)輸出交流電壓，同相位調(diào)節(jié)電壓大小，要同時(shí)實(shí)現(xiàn)同相位和反相位調(diào)節(jié)電壓大小，就需要增加4個(gè)雙向電子開關(guān)進(jìn)行轉(zhuǎn)換才能實(shí)現(xiàn)，也就是說實(shí)現(xiàn)正反相位的交流斬波調(diào)壓要使用6個(gè)雙向電子開關(guān)，這就會(huì)使器件成本成倍增加，因此，需要發(fā)明成本更低的交流斬波雙向調(diào)壓電路。

圖2所示為2014年發(fā)明的龔氏半橋交流斬波雙向調(diào)壓電路之一，它由倒相自耦變壓器T繞組中間抽頭0端上的交流電壓U01與交流斬波輸出電壓U31進(jìn)行比較，在0、3兩端輸出電壓U30實(shí)現(xiàn)正U20到負(fù)U01之間雙向交流電壓的調(diào)節(jié)。圖2主控雙向電子開關(guān)S1由2個(gè)二極管D1、D2和2個(gè)三極管V1、V2組成，續(xù)流雙向電子開關(guān)S2由2個(gè)晶閘管V3、V4組成，斬波交流電壓U41經(jīng)LC濾波器獲得的交流電壓U31與U21、U20、U01的波形和頻率相同。

圖2龔氏半橋交流斬波雙向調(diào)壓電路工作原理如下：主控雙向電子開關(guān)S1和續(xù)流雙向電子開關(guān)S2的交流斬波電壓U41，經(jīng)過LC濾波后的交流電壓U31與自耦變壓器T繞組中間抽頭0上交流交流電壓U01進(jìn)行比較。設(shè)自耦變壓器T的2個(gè)繞組W11、W12匝數(shù)相同，則自耦變壓器T中間抽頭是中心抽頭，上下2個(gè)繞組感應(yīng)電壓相等，即有：U20= U01=0.5 U21。

（1）在主控雙向電子開關(guān)通斷比大于1時(shí)，4、1端之間斬波輸出電壓U41，經(jīng)LC濾波后獲得交流電壓U31＞U01，斬波電路輸出端（3、0端）交流電壓U30，0端為負(fù)，3端為正。

（2）在主控雙向電子開關(guān)通斷比小于1時(shí)，4、1端之間斬波輸出電壓U41經(jīng)LC濾波后獲得的交流電壓U31＜U01，斬波電路輸出端（3、0端）交流電壓U30，0端為正，3端為負(fù)。

（3）在主控雙向電子開關(guān)通斷比等于1時(shí)，4、1端之間斬波輸出電壓U41經(jīng)LC濾波后獲得的交流輸電壓U31=U01，斬波電路輸出端（0、3端）交流電壓U30等于0。

綜上可知：只要調(diào)節(jié)龔氏半橋交流斬波雙向調(diào)壓電路中的主控雙向電子開關(guān)S1的斬波通斷比，就能調(diào)節(jié)2個(gè)輸出端（3、0端）的交流電壓的大小和相位。因特別指出：

（1）將圖2中2個(gè)二極管和2個(gè)三極管組成的雙向主控電子開關(guān)S1換成1個(gè)三極管的集電極和發(fā)射極分別連接4個(gè)二極管橋式整流輸出正端和負(fù)端組成的主控雙向電子開關(guān)，可獲得第2個(gè)龔氏半橋交流斬波雙向調(diào)壓電路。

（2）將圖2中2個(gè)單向晶管V3、V4反并聯(lián)組成的續(xù)流雙向電子開關(guān)S2換成與S1相同的2個(gè)二極管和2個(gè)三極管組成的雙向續(xù)流雙向電子開關(guān)，可獲得第3個(gè)龔氏半橋交流斬波雙向調(diào)壓電路。

（3）將圖2中2個(gè)二極管和2個(gè)三極管組成的雙向主控電子開關(guān)S1換成1個(gè)三極管的集電極和發(fā)射極分別連接4個(gè)二極管橋式整流輸出正端和負(fù)端組成的主控雙向電子開關(guān)，且將2個(gè)單向晶管V3、V4反并聯(lián)組成的續(xù)流雙向電子開關(guān)S2換成與S1相同的2個(gè)二極管和2個(gè)三極管組成的雙向續(xù)流雙向電子開關(guān)，可獲得第4個(gè)龔氏半橋交流斬波雙向調(diào)壓電路。

由此可知，龔氏半橋交流斬波雙向調(diào)壓電路有4個(gè)電路，這4個(gè)龔氏半橋交流斬波雙向調(diào)壓電路的正反向調(diào)壓范圍都只有輸入交流斬波電壓的一半，在輸入交流電壓是單相220 V時(shí)，輸出交流壓電調(diào)壓范圍是0～±110 V，為了擴(kuò)大輸出交流電壓的調(diào)壓范圍，減少雙向電子開關(guān)的電流容量，只要在圖2繞組W11或W21上增添1個(gè)抽頭（5端），或者將交流輸入電壓5和1兩端改為0和1兩端，使輸入交流斬波電路的交流電壓獲得升壓，可得圖3所示的1個(gè)龔氏升壓半橋交流斬波雙向調(diào)壓電路，在抽頭5和1兩端輸入單相220 V的交流電壓時(shí)，龔氏半橋交流斬波輸入交流電壓就可提高到380 V（或440 V），斬波輸出電壓的調(diào)壓范圍就提髙到0～±190 V（或0～±220 V），在調(diào)節(jié)功率相同時(shí)，就可降低器件的額定電流容量，降低交流斬波調(diào)壓電路成本。如上面特別指出所述，只要選不同器件組成S1和S2，又可獲另3個(gè)龔氏升壓半橋交流斬波雙向調(diào)壓電路。

圖3 龔氏升壓半橋交流斬波雙向調(diào)壓電路Fig.3 Gong's Boost half-bridge AC chopping bidirectional voltage-regulation circuit

1.3 龔氏半橋雙向波調(diào)節(jié)原理

上述4個(gè)龔氏半橋交流斬波雙向調(diào)壓電路和4個(gè)龔氏升壓半橋交流斬波雙向調(diào)壓電路中的兩個(gè)雙向電子開關(guān)S1和S2的控制方式：有的只能互補(bǔ)工作方式，有的只能非互補(bǔ)工作方式，有的既可互補(bǔ)工作方式又可非互補(bǔ)工作方式，但它們實(shí)現(xiàn)雙向調(diào)節(jié)原理相同，都是調(diào)節(jié)龔氏半橋交流斬雙向調(diào)壓電路中的主控雙向電子開關(guān)S1的通斷比達(dá)到雙向調(diào)節(jié)的目的。由此提煉出圖4所示的龔氏半橋雙向調(diào)節(jié)原理，它包含各種已知和未知的互補(bǔ)和非互補(bǔ)控制方式的龔氏半橋雙向調(diào)節(jié)原理。

由圖4龔氏半橋雙向調(diào)節(jié)原理可知：倒相變壓器T中間抽頭0端將自耦變壓器繞組分成上下2個(gè)串接繞組W11、W12，將輸入交流斬波電路的輸入電壓分成2個(gè)串接電壓U20和U01，在繞組W11和W12匝數(shù)相同時(shí)，交流電壓U20=U01=1/2 U21，主控雙向電子開關(guān)S1和續(xù)流雙向電子開關(guān)S2的交流斬波電壓U41經(jīng)LC濾波獲得的交流電壓U31的波形和相位，與交流電壓U21、U51和U01相同。將交流電壓U31與U01進(jìn)行比較，在2個(gè)繞組的串接端0端與交流斬波調(diào)壓電路1個(gè)輸出端3端之間輸出交流電壓就可獲得正反可調(diào)的電壓U30。其調(diào)節(jié)原理如下：①主控雙向電子開關(guān)S1的通斷比為1時(shí)，斬波調(diào)壓電路3和1兩端輸出電壓U31=1/2 U21，與繞組W12上電壓相等，輸出兩端（3、0端）電壓為0；②主控雙向電子開關(guān)S1的通斷比大于1時(shí)，斬波調(diào)壓電路3和1端兩端輸出電壓U31＞1/2 U21，它比繞組W12上電壓大，輸出兩端（3、0端）電壓，3端為正，0端為負(fù)。③主控雙向電子開關(guān)S1的通斷比小于1時(shí)，斬波調(diào)壓電路3和1端兩端輸出電壓U31＜1/2 U21，它小于繞組W12上電壓，輸出兩端電壓3端為負(fù)，0端為負(fù)。因此，主控雙向電子開關(guān)S1的通斷比在最大到最小之間調(diào)節(jié)時(shí)，龔氏半橋雙向調(diào)壓電路兩個(gè)輸出端（3、1端）輸出電壓可實(shí)現(xiàn)雙向0～±1/2 U21的調(diào)節(jié)。主控雙向電子開關(guān)S1是全控雙向電子開關(guān)，包括2個(gè)二極管和2個(gè)三極管組成的全控電子開關(guān)和4個(gè)二極管和1個(gè)三極管組成的全控雙向電子開關(guān)。續(xù)流雙向電子開關(guān)S2包括2個(gè)二極管和2個(gè)三極管組成的全控電子開關(guān)、4個(gè)二極管和1個(gè)三極管組成的全控雙向電子開關(guān)和2個(gè)單向晶閘管反并組成半控雙向電子開關(guān)。S1和S2的控制方式有非互補(bǔ)控制和互補(bǔ)控制2種。

圖4 龔氏半橋雙向調(diào)節(jié)原理Fig.4 The schematic of Gong's half-bridge bidirectional regulation

應(yīng)特別指出：圖4中，倒相自耦變壓器T的2個(gè)串聯(lián)繞組W11和W12就相當(dāng)于逆變電路中的2個(gè)串聯(lián)電容，不同之處在于：半橋逆變電路中2個(gè)電容器必需相同，而圖4中的倒相變壓器的2個(gè)串聯(lián)繞組的匝數(shù)可以相同，也可以不相同，而不相同時(shí)，正向調(diào)壓范圍和反向調(diào)壓范圍不同，在實(shí)踐中也存在這種需求。例如：要求補(bǔ)償式交流穩(wěn)壓電源的穩(wěn)壓范圍：220 V+15%到220 V-20%或者220 V+ 25%到220 V-15%等。

1.4 龔氏半橋雙向調(diào)節(jié)原理的應(yīng)用

龔氏半橋雙向調(diào)節(jié)原理可廣泛用于各種需要交流電壓雙向調(diào)節(jié)的儀器和設(shè)備。

1.4.1 在單相AC/AC交流斬波穩(wěn)壓電源中應(yīng)用

圖5所示為一種應(yīng)用龔氏半橋雙向調(diào)節(jié)原理設(shè)計(jì)的單相龔氏半橋雙向調(diào)節(jié)交流穩(wěn)壓電源，它用1個(gè)單相升壓倒相自耦變壓器T2的2個(gè)繞組W11、W12提供龔氏半橋雙向調(diào)節(jié)原理中的輸入交流斬波電壓U61，經(jīng)S1，S2交流斬波的輸出電壓U51，通過LC濾波后在4、1端之間獲得交流電壓U41與輸入交流電壓U21、U61=2 U21的波形相同，在升壓倒相自耦變壓器T2繞組中心抽頭2端，也即交流輸入電壓2端與交流斬波電路輸出端4端之間連接補(bǔ)償變壓器T1初級繞組W1，依據(jù)龔氏半橋雙向調(diào)節(jié)原理，只要自動(dòng)調(diào)節(jié)雙向電子開關(guān)的通斷比就能在補(bǔ)償變壓器T2次級繞組W2上獲得所需雙向補(bǔ)償電壓，而使輸出2端（3、1端）獲得穩(wěn)定電壓。

圖5 單相龔氏半橋雙向調(diào)節(jié)交流穩(wěn)壓電源Fig.5 Single-phase stable AC power supply with Gong's half-bridge bidirectional regulation

1.4.2 在三相AC/AC交流斬波穩(wěn)壓電源中應(yīng)用

圖6所示為一種應(yīng)用龔氏半橋雙向調(diào)節(jié)原理設(shè)計(jì)的三相龔氏半橋雙向調(diào)節(jié)交流穩(wěn)壓電源，由圖6可知：三相龔氏半橋雙向調(diào)節(jié)交流穩(wěn)壓電源，只要1個(gè)或3個(gè)自耦變壓器T2、1個(gè)或3個(gè)補(bǔ)償變壓器T1、3個(gè)雙IGBT模塊和3塊雙單向SCR模塊及其控制電路組成，就達(dá)到連續(xù)無級、無觸點(diǎn)不需要電子開關(guān)倒相的補(bǔ)償式三相交流穩(wěn)電源。

在單相和三相龔氐半橋雙向調(diào)節(jié)交流穩(wěn)壓電源中增添雙向電子開關(guān)，或者增添全橋變換電路和蓄電池就可獲得不同形式的UPS電源。因此，它們也是單相和三相補(bǔ)償式交流穩(wěn)壓電源和UPS電源研究方面取得的研究成果。

圖6 三相龔氏半橋雙向調(diào)節(jié)交流穩(wěn)壓電源Fig.6 Three-phase stable AC power supply with Gong's half-bridge bidirectional regulation

1.4.3 與三相智能型無觸點(diǎn)交流穩(wěn)壓電源對比

應(yīng)用龔氏半橋雙向調(diào)節(jié)原理設(shè)計(jì)的三相龔氏半橋雙向調(diào)節(jié)交流穩(wěn)壓電源的結(jié)構(gòu)，與我國目前很多廠家生產(chǎn)的智能型無觸點(diǎn)三相交流穩(wěn)壓電源相類似。以某公司生產(chǎn)量最大的100 KVA分相調(diào)節(jié)的三相交流穩(wěn)壓電源為例做比較說明。

智能型無觸點(diǎn)三相交流穩(wěn)壓電源依精度要求不同，所使用雙晶閘管倒相調(diào)節(jié)模塊數(shù)量也不同，相同功率輸出的交流穩(wěn)壓電源成本也不同，穩(wěn)利達(dá)電源用21塊雙晶閘管模塊，成本較低，而華潤電氣用30塊雙晶閘管模塊成本較高?，F(xiàn)以用圖6所示的三相龔氏半橋雙向調(diào)節(jié)交流穩(wěn)壓電源與穩(wěn)利達(dá)三相智能型無觸點(diǎn)交流穩(wěn)壓器做100 kVA容量的成本和性能分析對比如下：

（1）成本對比：兩種交流穩(wěn)壓器的外殼、控制版、6 kVA和9 kVA補(bǔ)償變壓器、3 kVA和45 KVA倒相變壓器等成本相同；智能型無觸點(diǎn)交流穩(wěn)壓電源使用21塊100 A雙SCR轉(zhuǎn)換模塊，而龔氏半橋雙向調(diào)節(jié)交流穩(wěn)壓電源僅使用6塊模塊，即3塊100 A雙IGBT模塊和3塊100 A雙SCR模塊，比智能型減少15塊?；谀壳?00 A雙IGBT模塊價(jià)格約為100 A雙SCR模塊價(jià)格的3倍，因此，三相龔氏半橋雙向調(diào)節(jié)交流穩(wěn)壓電源模塊總成本比三相智能型交流穩(wěn)壓電源模塊總成本節(jié)省9塊100 A雙SCR模塊的成本，這與龔氏半橋雙向調(diào)節(jié)交流穩(wěn)壓電源中要新增加的散熱器、風(fēng)扇等材料的成本相接近。

（2）性能和性價(jià)比對比：龔氏半橋雙向調(diào)節(jié)交流穩(wěn)壓電源是連續(xù)無級無觸點(diǎn)調(diào)節(jié)補(bǔ)償電壓的交流穩(wěn)壓電源，而智能型無觸點(diǎn)交流穩(wěn)壓電源是跳躍式非連續(xù)有級調(diào)節(jié)的無觸點(diǎn)交流穩(wěn)壓電源，即使調(diào)壓自耦變壓器增加更多抽頭和增加更多的轉(zhuǎn)換雙SCR模塊，其穩(wěn)壓精度、性價(jià)比和可靠性都無法與龔氏半橋雙向調(diào)節(jié)交流穩(wěn)壓電源相比。

由上分析可知：應(yīng)用龔氏半橋雙向調(diào)節(jié)原理設(shè)計(jì)的三相龔氏半橋雙向調(diào)節(jié)交流穩(wěn)壓電源的精度、性能和性價(jià)比遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于現(xiàn)有智能型無觸點(diǎn)三相交流穩(wěn)壓器，它必將取代智能型無觸點(diǎn)三相交流穩(wěn)器，并且前者是我國自主研制，有完全知識產(chǎn)權(quán)與世界各國不相同，有中國特色的連續(xù)無級無觸點(diǎn)交流穩(wěn)壓電源產(chǎn)品，也是全新一代高性能高性價(jià)比的新產(chǎn)品，將是補(bǔ)償式交流穩(wěn)壓電源走向國內(nèi)外的第一品牌產(chǎn)品。

2 龔氏全橋雙向調(diào)節(jié)原理

龔氏半橋雙向調(diào)節(jié)原理雖可實(shí)現(xiàn)雙向調(diào)壓，但是不論是正向還是反向調(diào)壓，其范圍都只有輸入斬波電壓的一半，并且還要有1個(gè)倒相自耦變壓器，為擴(kuò)大雙向調(diào)壓范圍和取消倒相自耦變壓器，發(fā)明了一種與全橋逆變電路和原理相對應(yīng)的龔氏全橋雙向調(diào)節(jié)電路和原理。

2.1 龔氏全橋雙向調(diào)節(jié)原理

龔氏全橋雙向調(diào)節(jié)原理是從多個(gè)龔氏交流斬波雙向調(diào)節(jié)器的調(diào)節(jié)電路中提煉出來的原理[7]，如圖7所示。該電路是由2個(gè)交流斬波調(diào)壓電路相并聯(lián)，在2個(gè)交流斬波調(diào)壓電路的2個(gè)非公共輸出端0、3端輸出雙向調(diào)壓電壓，4個(gè)雙向電子開關(guān)連接成全橋，其連接方式與全橋逆變電路類似，將其電路稱為龔氏全橋雙向交流斬波調(diào)壓電路，其調(diào)節(jié)原理稱為龔氏全橋雙向調(diào)節(jié)原理，由4個(gè)雙向電子開關(guān)S1～S4及其控制電路組成，它與全橋逆變電路的差別在于：全橋逆變電路輸入工作電壓是直流電壓，而龔氏全橋雙向調(diào)節(jié)電路中輸入工作電壓是交流電壓，因此，龔氏全橋雙向調(diào)節(jié)電路中使用的電子開關(guān)都是雙向電子開關(guān)，由于交流斬波電路使用的主控雙向電子開關(guān)必需是全控雙向電子開關(guān)，因此4個(gè)雙向電子開關(guān)至少有2個(gè)全控雙向電子開關(guān)S1、S3或S1、S2，另2個(gè)雙向電子開關(guān)可由二極管和三極管等元器件組成的全控雙向電子開并，或2個(gè)單向晶閘管反并聯(lián)的雙向電子開關(guān)，或雙向晶閘管，或固體交流電子開關(guān)。它們有多種組合形式和多種斬波控制方法獲得與輸入端（2、1端）交流電壓U21同相和反相的連續(xù)可調(diào)交流斬波電壓U03，輸出端（0、3端）的交流斬波電壓U03，經(jīng)LC濾波后就可獲得與交流輸入電壓同相和反相的可調(diào)交流電壓，因此，可廣泛用于補(bǔ)償式交流穩(wěn)壓電源和UPS電源。

龔氏全橋交流斬波雙向調(diào)節(jié)電路按4個(gè)雙向電子開關(guān)類型和控制不同方式分兩大類：采用換相控制和采用通斷比反向調(diào)節(jié)控制。

2.2 采用換相控制實(shí)現(xiàn)雙向輸出電壓調(diào)節(jié)

工作原理如下：由S1主控、S2續(xù)流、S4短路、或S4主控、S3續(xù)流、S1短路組成的1路交流斬波電路，在輸出端（0、3端）獲得的可調(diào)交流斬波電壓U03，經(jīng)外部LC濾波后的可調(diào)交流電壓與輸入交流電壓同相位。由S3主控、S4續(xù)流、S2短路、或S2主控、S1續(xù)流、S3短路組成的另1個(gè)交流斬波電路，在輸出端（0、3端）獲得的可調(diào)交流斬波輸出電壓U03，經(jīng)外部LC濾波后,可調(diào)交流電壓與輸入交流電壓反相位。因此，只要調(diào)節(jié)S1和S3或S1和S2雙向電子開關(guān)斬波通斷比和控制S4和S2或S1和S3通斷比就能實(shí)現(xiàn)雙向交流斬波電壓的調(diào)節(jié)，此雙向斬波電壓通過外部LC濾波后的可調(diào)交流電壓與輸入交流同相位或反相位。雙向電壓調(diào)節(jié)范圍是龔氏半橋交流斬波雙向調(diào)節(jié)電路的2倍，其電路結(jié)構(gòu)可看成用2個(gè)雙向電子開關(guān)組成的1個(gè)交流斬波調(diào)壓電路替代龔氏半橋斬波雙向調(diào)節(jié)原理圖中的倒相自耦變壓器T，這與用2個(gè)串聯(lián)電子開關(guān)替代半橋逆變電路中的2個(gè)串聯(lián)電容，使半橋逆變成為全橋逆變相對應(yīng)類同。

圖7 龔氏全橋雙向調(diào)節(jié)原理Fig.7 Schematic of Gong's full-bridge bidirectional regulation

2.3 采用通斷比反向調(diào)節(jié)控制實(shí)現(xiàn)雙向輸出電壓調(diào)節(jié)

工作原理如下：2個(gè)交流斬控調(diào)壓電路的交流斬控通斷比向相反方向調(diào)節(jié)的交流斬控電路，在S1主控通斷比最大、S3主控通斷比最小時(shí)，輸出端（0、3端）獲得的交流斬波電壓U03，經(jīng)外部LC濾波后的交流電壓與輸入交流電壓同相位并達(dá)到最大。反之在S1主控通斷比最小，S3主控通斷比最大時(shí)，輸出端（0、3端）獲得的交流斬波電壓U03，經(jīng)外部LC濾波后的交流電壓與輸入交流電壓反相位并達(dá)到最大。在S1主控和S3主控通斷比等于1時(shí)，輸出端（0、3端）獲得的交流斬波電壓U03，經(jīng)外部LC濾波后的交流電壓電壓等于0。

由上可知，只要對圖7所示龔氏全橋雙向調(diào)節(jié)電路中的2個(gè)主控開關(guān)S1和S3通斷比相反方面連續(xù)無級調(diào)節(jié)，在輸出端（0、3端）外加LC濾波就能獲正反相位的連續(xù)無級可調(diào)交流電壓。

2.4 應(yīng)用舉例

應(yīng)用龔氏全橋交流斬波雙向調(diào)節(jié)理原設(shè)計(jì)的單相交流穩(wěn)壓電源有：補(bǔ)償電壓采用工頻變壓器和補(bǔ)償變壓器采用高頻變壓器兩大類，每類都有多種電路。

圖8是應(yīng)用龔氏全橋雙向調(diào)節(jié)原理設(shè)計(jì)的單相龔氏全橋雙向調(diào)節(jié)工變補(bǔ)償交流穩(wěn)壓電源，交流輸入電壓兩端連接有2個(gè)二極管和2個(gè)三極管組成的2個(gè)主控雙向電子開關(guān)S1和S2，采用倒相控制方法，即由S3主控、S4續(xù)流、S2短路組成的交流斬波電路，輸入交流電壓經(jīng)主控開關(guān)S3斬波、S4續(xù)流和LC濾波，在濾波電容C上獲得與輸入交流電壓同相位的可調(diào)交流電壓。由S1主控、S2續(xù)流、S4短路組成的交流斬波電路，輸入交流電壓經(jīng)主控開關(guān)S1斬波、S2續(xù)流和LC濾波，在濾波電容C上獲得與輸入交流電壓反相位的可調(diào)交流電壓。由于工頻補(bǔ)償變壓器T初級繞組W1與濾波電容C并聯(lián)，因此，補(bǔ)償變壓器T次級W2獲得雙向可調(diào)的補(bǔ)償電壓。由此可知，只要調(diào)節(jié)2個(gè)主控雙的開關(guān)S1、S3斬波通斷比和變換S4、S2短路控制信號就能在補(bǔ)償變壓器T次級繞組W2獲得雙向所需的補(bǔ)償電壓，使輸出端（5、1端）電壓達(dá)到穩(wěn)定。

圖9也是應(yīng)用龔氏全橋雙向調(diào)節(jié)原理設(shè)計(jì)的單相龔氏全橋雙向調(diào)節(jié)工變補(bǔ)償交流穩(wěn)壓電源，它采用通斷比反向調(diào)節(jié)實(shí)現(xiàn)雙向電壓調(diào)節(jié)，由S1主控、S2續(xù)流L1、C1濾波組成第1個(gè)交流斬波調(diào)壓電路，在輸出端0與1端之間獲得與輸入交流電壓波形相同的可調(diào)交流電壓；由S3主控、S4續(xù)流，LC濾波組成另一交流斬波調(diào)壓電路，在輸出端3與1端之間獲得與輸入交流電壓波形相同的可調(diào)交流電壓。補(bǔ)償變壓器T初級繞組W1連接在2個(gè)交流斬波電路的2個(gè)非公共端0與3端之間。2個(gè)交流斬波電路同時(shí)工作，2個(gè)主控雙向電子開關(guān)S1和S2的通斷比向相反方向調(diào)節(jié)，即S1的通斷比從最大調(diào)節(jié)到最小的同時(shí)，S2的通斷比從最小調(diào)節(jié)到最大，當(dāng)S1和S2的通斷比相同時(shí)，2個(gè)交流斬波電路的輸出端0與3端電位相同，在S1通斷比大于S3通斷比時(shí)，輸出0端比輸出3端電壓髙，在S1通斷比小于S3通斷比時(shí)，輸出0端比輸出3端電壓低，因此，只要用相反方向調(diào)節(jié)調(diào)2個(gè)交流斬波的主控雙向電子開關(guān)S1和S3導(dǎo)通比，就能通過補(bǔ)償變壓器T的初次級繞組W1、W2實(shí)現(xiàn)雙向補(bǔ)償電壓的連續(xù)無級無觸點(diǎn)調(diào)節(jié)，使輸出端（6、1端）電壓達(dá)到穩(wěn)定。

圖8 單相龔氏全橋雙向調(diào)節(jié)工變補(bǔ)償交流穩(wěn)壓電源Fig.8 Single-phase stable AC power supply with powerfrequency compensation transformer and under Gong's full-bridge bidirectional regulation

圖9 單相龔氏雙向調(diào)節(jié)工變補(bǔ)償交流穩(wěn)壓電源Fig.9 Gong's single phase bidirectional regulated& stabilized AC power supply with industrial frequency compensation

圖10是應(yīng)用龔氏全橋雙向調(diào)節(jié)原理設(shè)計(jì)的單相龔氏全橋雙向調(diào)節(jié)高變補(bǔ)償交流穩(wěn)壓電源，它在S1主控、S2續(xù)流、S4短路時(shí)，連接在2個(gè)交流斬波電路2個(gè)非公共輸出端的高頻補(bǔ)償變壓器T次級繞組W2感應(yīng)的交流斬波電壓，經(jīng)LC濾波獲得與輸入交流電壓同相的補(bǔ)償交流電壓。在S2主控、S1續(xù)流、S3短路時(shí)，連接在交流斬波輸出2端的高頻補(bǔ)償變壓器T次級繞組W2感應(yīng)的交流斬波電壓經(jīng)LC濾波獲得與輸入交流電壓反相補(bǔ)償交流電壓。因此，只要互換控制S1和S2控制信號，和互換雙向晶閘管V5和V6的通斷信號，就能通過連接在輸出0端與輸出3端的高頻補(bǔ)償變壓器T獲得雙向所需的補(bǔ)償電壓，使輸出端（4、1端）交流電壓穩(wěn)定。

圖10 單相龔氏全橋雙向調(diào)節(jié)高變補(bǔ)償交流穩(wěn)壓電源Fig.10 Single-phase stable AC power supply with highfrequency transformer compensation and under Gong's full-bridge bidirectionally regulation

3 結(jié)語

本文用2個(gè)單向晶閘管做續(xù)流雙向電子開關(guān)，使模塊成本降低了近75%，斬波電路模塊的總成本僅為傳統(tǒng)斬波電路總成本的70%左右，這為交流斬波電路的廣泛應(yīng)用創(chuàng)造了有利條件。2014年發(fā)明的多個(gè)半橋交流斬波雙向調(diào)節(jié)電路與2015年發(fā)明的多個(gè)全橋交流斬波雙向調(diào)壓電路，它們都是AC/ AC斬波變換領(lǐng)域基礎(chǔ)電路。龔氏半橋和全橋交流斬波雙向調(diào)節(jié)原理可廣泛用于UPS電源和交流穩(wěn)壓電源的設(shè)計(jì)制造，可以節(jié)省4～12個(gè)倒相電子開關(guān)，不但使成本大幅度降低，而且使電路結(jié)構(gòu)簡化，可靠性提高。龔氏全橋交流斬波雙向調(diào)節(jié)原理雖比龔氏半橋交流斬波雙向調(diào)節(jié)原理多用2個(gè)雙向電子開關(guān)，但節(jié)省1個(gè)倒相自耦變壓器，而且雙向交流補(bǔ)償電壓調(diào)節(jié)范圍增大到2倍。

UPS電源和交流穩(wěn)壓電源社會(huì)應(yīng)用極為廣泛，本發(fā)明和創(chuàng)立的龔氏半橋和全橋交流斬波雙向調(diào)節(jié)原理和電路，將廣泛應(yīng)用于UPS電源和交流穩(wěn)壓電源設(shè)計(jì)制造，為開創(chuàng)具有中國特色、有完全自主知識產(chǎn)權(quán)的交流斬波調(diào)節(jié)補(bǔ)償電壓類的UPS電源和補(bǔ)償式交流穩(wěn)壓電源提供了技術(shù)支撐，為我國自主設(shè)計(jì)研制的UPS電源和補(bǔ)償式交流穩(wěn)壓電源進(jìn)入世界先進(jìn)行列創(chuàng)造了條件。

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