摘要： 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了电路功能，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。
1 引言
到目前为止，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。
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：
(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。
(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。
(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。
(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。
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。
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。
2 无铁芯交流稳压器
交流稳压器理想的电路结构，应当具备以下三种功能：
a)市电电压过高时进行电压稳定，多余电能要反馈；b)市电电压低时，能进行电压补偿；c)整机效率高，能改善输入市电波形。
到目前为止，找不到一种可行的方法，不用铁芯，能直接稳定交流电压，无铁芯交流稳压器也不例外，也不能直接对交流电压进行稳定，但是可以找到一种变通的办法，对交流电压进行间接稳定。
图1(a)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Ql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V0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。
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。
由于Q1的基极钳位在一个确定的电位上，所以Q1的发射极电压也被固定在确定的电位，当然，正弦波是一个时变信号，这里所说的钳位在一个确定的电位，意思是说在确定的时刻，钳位在确定的电位，即在一个确定的时间点，基极电位始终保持的电位比发射极高出一个栅源电位差Vgs，从时间的系列观察，栅极电位是一个正弦电压信号，其幅值永远比源极高一个Vgs电位差。
图1(b)是简化电路图的仿真波形，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。
3 整机工作原理
图2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。
当市电电压在额定范围之内时，可控硅SCRl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。
图3(a)是电压补偿级及变压器TX2的付边电路，电路各点电压的仿真波形请参考图3(b)。其中Vi是输入市电，Vqa、Vqb分别是功率器件Q3、Q14的漏源电压，Vp是变压器原边绕组电压，Vs是付边绕组电压，Voc是补偿电压Vsin与市电Vi加的输出电压。
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l0∶2，Vs的幅度是Vp的20％，因此补偿电压的幅值最多可到60V。
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3(b)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4。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。有关电压补偿原理的详细论述，请参考文献[5]。[#page#]
图5(a)是电压切割级及变压器TX1的付边电路，电路各点电压的仿真波形请参考图5(b)。其中Vi是输入市电，Vqa、Vqb分别是功率器件Ql、Q2的漏源电压，Vp是变压器原边绕组电压，Vs是付边绕组电压，Voa是切割级把市电中高于额定值的多余部份切去后的剩余部份，Vob是市电中高于额定值的多余部份，经过功率变换器变换成的交流电压，Voa与Vob并行输出。
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。
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值，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。
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。
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6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。
有关电压切割原理的详细论述，请参考文献[3]。
4 结语
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：
(1)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。
(2)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。
(3)输入交流电压超过或者低于额定值15％时，经变换器（效率85％）回授到输入端，这部份功率损耗为2.25％，总效率可达95.75％。
(4)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。
备注：电路仿真波形出自SIMetrix 5.6。
参考文献
[1] 张占松、蔡宣三，开关电源的原理与设计，电子工业出版社，2006年1月。
[2] 刘凤君，PWM逆变器式交流稳压电源的原理分析
[3] 李嘉明，郁百超，绿色不间断电源，全国电源技术年会论文集P149，2007年10月。
[4] 李磊， 陈道炼，新颖的BUCK-BOOST型正弦交流稳压器，电源世界2005年11期。
[5] 郁百超，不间断电源领域的新突破，全国电源技术年会论文集P236，2001年9月。
[6] Jia-ming Li and Baichao Yu，An Important Breakthrough In Uninterruptible Power Supply， POWER．QUALITY 2003 CONFERENCE Presented at POWER SYSTEM WORLD 2003 CONFERENCE & EXHIBIT Long Beach California。
[7] Baichao Yu，UNINTERRUPTED POWER SUPPLY WITHOUT POWER LOSS，PATENT：US 6738276，MAY 18，2004．
作者简介
郁百超(1943-)，男，工学硕士，高工，中国电源学会交流电源专业委员会专家组专家，拥有发明专利多项，国内外发表论文多篇。
