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背景技术
[0002] 对于直流
电压，有线性稳压电源，用
电路功能，对直流电压直接进行稳定，但对交流电压而言，却找不到相应的电路功能，可以对交流电压直接进行稳定，要想稳定交流电压，必须借助工频电感(即铁芯)才能完成。
[0003] 目前流行的交流稳压器，都借助铁芯电感完成，统称为传统交流稳压器，计有以下几种：
[0004] 1)参数调整(谐振)型交流稳压电源，是利用电路非线性元器件对电路中的电压和
电流进行调整，从而实现
输出电压的稳定。该类交流稳压电源具有电路简单、稳定
精度高、抗干扰性强和输入电压范围宽等优点，但存在输出
波形THD高、电路元器件对工作
频率非常敏感、输入功率因数很低、输出容量难以做大、无电气隔离等
缺陷。
[0005] 2)自耦(变比)调整型交流稳压器，是以自耦变压(调压)器为
基础实现稳压功能的。该类交流稳压器具有电路简单、输入电压范围宽等优点，但存在输出波形THD高、稳压精度较低、体积重量大等缺陷。
[0006] 3)大功率补偿型交流稳压电源，是把线性
变压器串联在输入端和输出端的主电路中，控制该变压器初级电压的大小和极性，利用其次级电压对输入电压进行补偿，从而实现输出电压的稳定。该类交流稳压器具有输出容量大、对
电网适应能
力好、效率高等优点，但存在输出波形THD高、输出与输入无电气隔离、动态性能差等缺陷。
[0007] 4)
开关型交流稳压电源，将输入电网电压整流后得到脉动直流电压，然后通过高频PWM技术逆变为交流电压，再经过
相位跟踪和转换电路后获得与
输入侧同频同相的补偿电压，加在输入与输出之间，从而实现输出电压的稳定。开关型交流稳压电源，具有稳压性能好、控制功能强、电路偏复杂、价格较高等特点。
[0008] 新颖的Buck-Boost型正弦交流稳压器[4]，由输入周波变换器、高频储能式变压器、输出周波变换器以及输入、输出
滤波器构成，能够将一种不稳定的劣质交流电变换成另一种同频、稳定的优质正弦交流电，美中不足的是，全部功率必须经过两级功率变换。交流稳压器，顾名思义，只是对原来的交流电压进行稳压而已。如果把整个交流电压的全部功 率重新进行SPWM变换，然后输出
正弦波电压，那不是交流稳压器，而是功率变换器，是逆变器，那成本就高得太多了。
[0009] 采用PWM高频逆变器的补偿式交流稳压器[2]，既可以补偿市电电压的高低变化，也可以补偿谐波和闪变等，对于三相稳压电源还可以补偿
三相电压的不对称，从而有效地提高了
电能质量。这种交流稳压器只对补偿部份的功率进行变换，与上述Buck-Boost型正弦交流稳压器相比，是一种很大的进步，但交流电压的产生，同步，同相，在交流稳压器之外，凭空多出逆变器或者不间断电源的全部电路，整机变得过于复杂，故障率自然就高。
发明内容
[0010] 无铁芯交流稳压器整机没有工频电感和
电解电容，全部采用
半导体电子器件，其交流稳压完全源于
电子电路功能，因此功率因数为1，而总谐波畸变THD为零，由于没有工频电感，免除了因工频电感而产生的所有缺点.无铁芯交流稳压器电路简单，主功率器件工作在工频范围，整机
开关损耗和射频干扰极小，平均无故障时间大大增加，其成本、体积、重量、功耗都是传统交流稳压器的十分之一，既节能环保，又安全可靠。
[0011] 1)市电电压过高时，进行电压稳定，多余电能要反馈；
[0012] 2)市电电压过低时，能进行电压补偿；
[0013] 3)整机效率高，能改善输入市电波形。
附图说明
[0015] 图2，电压补偿电路原理图；
[0016] 图3，电压补偿电路各点电压仿真波形；
[0017] 图4，电压切割电路原理图；
[0018] 图5，电压切割电路各点电压仿真波形；
[0019] 图6，无铁芯交流稳压器原理电路及其仿真波形；
[0020] 图7，无铁芯交流稳压器实际电路；
[0021] 图8，输入电压整形原理波形。
[0022] 图1是主电路图，无铁芯交流稳压器不包括工频电感，整机由电压补偿电路1和电压切割电路2并联组成。
[0023] 图2的电压补偿电路，由MOS管Q3、Q6、变压器TX1等和动态整流电路3组成，变压器TX1原边的同名端接输入电压Vi的火线，输入电压Vi的零线接地，变压器TX1原边 的异名端同时接
二极管D3的
阳极和二极管D4的
阴极，MOS管Q3的漏极接二极管D3的阴极，其源极接地，其栅极通过驱动
信号V4接地，MOS管Q6的漏极接二极管D4的阴极，其源极接地，其栅极通过驱动信号V7接地，变压器TX1付边的两端接
电阻R1和电容C1，同时接动态整流电路3的输入端点IN1、IN2，动态整流电路3的输出端点OUT2接变压器TX1原边的同名端，动态整流电路3的输出端点OUT1接输出端点Voc。
[0024] 当输入电压V3过低时，电压补偿电路产生适当的补偿电压，迭加在输入电压Vi之上，使得输出电压Voc在额定范围之内。加在Q3、Q6栅极的信号电压是高频方波，当正半周时，市电经过变压器的原边、二极管D3、MOS管Q3形成通道，在TX1的付边产生包络为正弦波的双边带方波电压，当负半周时，市电经过变压器的原边、二极管D4、MOS管Q6形成通道，在TX1的付边产生包络为正弦波的双边带方波电压，经过D1、D2、D5、D6组成的
整流桥后，输出单向脉动正弦波(即馒头波)电压，此电压经过Q1、Q2、Q4、Q5组成的换向电路后，输出正弦波电压Vsin，此电压与输入电压Vi迭加后形成输出电压Voc，这里的电压Vsin就是补偿电压。换向电路实际上是一个直流逆变电路，只不过其开关器件都工作在工频范围。
[0025] 图3是补偿电路各点的仿真波形，从上到下依次是：输入电压Vi，Q3上的漏源电压Vqa，Q6上的漏源电压Vqb，TX1原边电压Vp，TX1付边电压Vs，整流桥输出电压Vd，换向电路输出电压Vsin，迭加后的输出电压Voc。
[0026] 图4的电压切割电路由MOS管Q3、Q4、Q5、Q8、变压器TX1等和动态整流电路3组成，变压器TX1原边的同名端接输入电压Vi的火线，输入电压Vi的零线接地，变压器TX1原边的异名端同时接二极管D4的阳极和二极管D6的阴极；MOS管Q5的漏极接二极管D4的阴极，MOS管Q8的漏极接二极管D6的阳极，它们的栅极同时接电阻R5的一端，它们的源极同时接电阻R6的一端，电阻R5、R6的另一端同时接地；变压器TX1付边的两端接电阻R1和电容C1，同时接动态整流电路3的输入端点IN1、IN2，动态整流电路3的输出端点OUT2接地，动态整流电路3的输出端点OUT1接输出端点Voa；电阻R2的一端同时接二极管D3的阳极和二极管D5的阴极，另一端通过电源V8接地；MOS管Q3的漏极接二极管D3的阴极，MOS管Q4的漏极接二极管D5的阴极，它们的源极同时接电阻R5的一端，它们的栅极分别通过驱动信号V4、V7接电阻R5的一端。
[0027] 当输入电压V3过高时，电压切割电路把输入电压切割成两部份，一部份是额定输出电压Voa，另一部份电压在MOS管的漏极和变压器TX1间根据阻抗进行分配。Q3、Q4的栅源极加方波驱动信号，在其共同源极产生包络为正弦波的方波信号Vc，调节输入电压V8或电阻R2，使得Vc的幅值比输出电压Voa大一个Vgs；当Vc加在Q5、Q8的栅极后，由 于源极电压跟随栅极电压，则在Q5、Q8的源极产生额定输出电压Voa，同时在变压器的付边产生包络为正弦波的双边带电压，此后经过动态整流，情况与上述电压补偿电路相同。
[0028] 图5是切割电路各点的仿真波形，从上到下依次是：输入电压Vi，Q3、Q4源极输出电压Vc，Q5上的漏源电压Vqa，Q8上的漏源电压Vqb，TX1原边电压Vp，TX1付边电压Vs，Q5、Q8源极输出电压Voa，整流桥输出电压Vd，换向电路输出电压Vob，电压Voa、Vob并列输出。
[0029] 动态整流电路由MOS管和二极管组成，二极管D1、D2的阴极、MOS管Q1、Q2的漏极、电容C3的一端、电阻R3的一端都接在一起，二极管D7、D8的阴极、MOS管Q6、Q7的源极、电容C3的另一端、电阻R3的另一端都接在一起，二极管的阳极和二极管的阴极接在一起，构成动态整流电路3的输入端点IN1，二极管的阳极和二极管的阴极接在一起，构成动态整流电路3的输入端点IN2，MOS管Q1的源极接MOS管Q6的漏极，构成动态整流电路3的输出端点OUT1，MOS管Q2的源极接MOS管Q7的漏极，构成动态整流电路3的输出端点OUT2，电容C2和电阻R4夸接在、MOS管的源极之间。
[0030] 由于市电没有经过整流滤波，变压器付边产生的电压本质上仍旧是正弦波，经过适当处理，还原成了与市电同频同相的正弦波电压。
具体实施方式
[0031] 图6是无铁芯交流稳压器的简化电路图，由NMOS场效应管Q1和PMOS场效应管Q2及周边元件组成。交流市电Vi正半周时，电流从二极管D1进入，经过
三极管Q1和电阻R1回来零线N，负半周时，电流从零线N出发，经电阻R1进入，经过三极管Q2、二极管D2回来火线L，输出电压Vo由发射极电阻R1引出。Q1、Q2是射极跟随器，射极电压跟随基极电压，现在Q1、Q2的基极电压分别由电阻R2、R3和电阻R4、R5
锁定不变，射极输出电压Vo也就保持不变。由于输入电压Vi是交流，Q1、Q2基极电压按正弦规律变化，则发射极电位也发生同样的变化。
[0032] 对市电正半周而言，Q1及其周围元件组成的射极跟随器，是一个直流稳压电源，稳定的是正的直流电压，同样道理，对市电负半周而言，Q2及其周围元件组成的射极跟随器，也是一个直流稳压电源，稳定的是负的直流电压，正负电压在R1上
叠加，获得稳定的交流输出电压Vo，于是，无铁芯交流稳压器间接地稳定了交流电压。
[0033] 图6右边是简化电路图输出电压的仿真波形，输入电压Vi的幅值是400伏，负载电阻R1为10欧，输出功率约5KW，同时改变电阻R2、R4(从20K到100K)，可在射极电阻R1上获得如图所示、幅值为190伏到320伏的输出电压Vo。
[0034] 除了上述稳定电压和补偿电压的产生之外，还需要把市电高出输出电压部份功率反馈，把市电波形的缺陷进行修补，以及整机的控制电路等。经过补偿和功率反馈以后，无铁芯交流稳压电源的整机效率可达98％。
[0035] 图7的无铁芯交流稳压器原理电路分两部份，左边由开关器件Q3、Q4及周边元件组成的是电压补偿级，对低于额定电压的市电进行电压补偿，从变压器TX2的付边输出补偿电压Voc；右边由开关器件Q1、Q2及周边元件组成的是电压切割级，对高于额定电压的市电进行电压切割，切割后的市电是额定输出电压Voa，从射极电阻R8输出，市电切割下来的剩余部份，由TX1组成的功率变换器进行变换，从变换器输出的是与市电同频、同相，和额定输出电压同幅度的交流电压Vob，Vob与Voa并列输出。
[0036] 当市电电压在额定范围之内时，可控
硅SCR1开通，输出电压Vo是市电电压Vi；当市电电压在额定电压范围之下时，补偿电路启动，同时可控硅SCR2开通，输出电压Vo是补偿电压Voc与市电Vi的叠加电压；当市电在额定范围之上时，切割电路启动，同时可控硅SCR3开通，输出电压Vo是由Voa、Vob并行输出的电压。这了容易说明原理，电压补偿级和电压切割级的变压器TX2的付边电路没有画出。
[0037] 补偿电路启动后，100KHz方波电压(为波形清楚起见，仿真信号是5KHz)加在Q3、Q4的栅极，分别产生100KHz的漏源电压Vqa、Vqb，其包络分别是正弦波的正、负半周，在TX2的原边产生方波电压Vp，由于变压器中没有直流，Vp的包络是对称双正弦波，即包络关于时间轴对称，亦即时间轴上方波形是Sinx的绝对值，下方波形是Sinx的负绝对值，付边电压Vs电压波形与Vp相同，由于TX2的变比是10∶2，Vs的幅度是Vp的20％，因此补偿电压的幅值最多可到60V。
[0038] 付边电压Vs经过由二极管D7-D10组成的整流桥后，相当于把时间轴下方的Sinx的负绝对值的波形翻到时间轴的上方来，由于加在Q3、Q4栅极驱动信号占空比接近50％，Sinx的绝对值和Sinx的负绝对值叠加以后，Vb已经不再是方波电压，几乎接近市电整流后的馒头波电压，整流输出电压见图8中的Vb。Vb经过Q5-Q8组成的换向电路以后，变成与市电同频、同相的正弦波电压，即补偿电压Vsin，此电压与市电叠加后，就是输出电压Voc。补偿电压Vsin与市电Vi叠加的仿真波形请参考图2。
[0039] 换向电路中Q5-Q8栅极接的是周期20ms、占空比是50％，并与市电同步的方波信号，Q5、Q8栅极接的方波信号延时10ms。
[0040] 电压切割级与电压补偿级相比较，只在功率器件Q1、Q2的共同源极多接一个源极电阻R4，其余电路完全相同，所完成的功能也一样，都是在变压器的付边电路产生交流电压，只不过由于变压器的变比不同，所产生的交流电压的幅值不同，补偿级产生最大幅值60V 的补偿电压，切割级产生幅值311V的额定值交流电压。切割级比补偿级多出的射级电阻R4上输出的交流电压Voa，其产生和稳定的原理前已述及。
[0041] 切割级把市电高于额定值的多余部份切下来，切下来的部份仍然是正弦电压，变压器原边电压Vp的包络正是这个电压。变压器TX1的变比是1∶10，最少可以把10％的市电高出部份变换成220V输出交流电压，如果市电高出部份小于此植，则认为市电在正常范围。换向电路输出的电压，之所以是与市电同频、同相的交流电压，是因为变压器原边电压的包络的幅值，是市电与源极电阻R4上的电压Voa之差，两个正弦量的差，当然还是正弦量。
[0042] 功率器件Q1、Q2栅极驱动信号V1、V2是频率为100KHz的方波，其包络是正弦波，一个是前10ms的波形，一个是后10ms的波形，包络电压的幅度比Voa高出一个漏源电压Vgs。
[0043] 电压切割级可以把市电中高出额定值的部份切下来，当然也可以把市电
变形部份切下来，即是说，电压切割级可以对市电进行整形，图8是整形示意图，上边电压波形是产生畸变的市电，下边电压波形是最后整形的结果。
[0044] 几点说明
[0045] 1)无铁芯交流稳压器除辅助电源外，主电路不进行功率变换，具有如下特点：
[0046] 2)整个电路没有电容和电感，对于电网而言，是一个纯电阻负载，其功率因数等于1，而总谐波畸变THD为零，对电网无污染。
[0047] 3)输入交流电压中85％的电功率不必进行功率变换，功耗极小，EMS干扰极小。
[0048] 4)输入交流电压超过或者低于额定值15％时，经过变换器(效率85％)回授到输入端，这部份功率损耗为2.25％，总效率仍可达95.75％。
[0049] 5)免除了传统交流稳压器中的铁芯，成本、体积、重量、功耗大为减少。
