專利名稱：交流可調(diào)電力測(cè)量專用電源的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實(shí)用新型涉及一種應(yīng)用有控制極的半導(dǎo)體器件的AC/AC電源變換裝置，尤其涉及一種微處理器控制的為便攜式電力電子測(cè)量?jī)x器提供線性可調(diào)的正弦交流電壓及電流的電源變換裝置。
背景技術(shù)：
電力測(cè)量要模擬供電及用電現(xiàn)場(chǎng)的運(yùn)行條件，往往要在其測(cè)量?jī)x器上提供線性可調(diào)的正弦交流電壓及電流?，F(xiàn)有的AC/DC/DC/AC方式通常需要使用變壓器，而且變壓器的容量必須滿足輸出功率的要求，電力測(cè)量設(shè)備的電源通常需要3-lOkw的輸出功率，能夠滿足3-lOkw的輸出功率要求的變壓器不但重量很大的，而且制造變壓器需要消耗大量有色金屬和電工鋼，其制造成本也很高。采用AC/AC變換裝置實(shí)現(xiàn)升壓或降壓調(diào)壓是一種常用的方法。中國(guó)實(shí)用新型專利“雙buck/boost雙向交流斬波器”(中國(guó)實(shí)用新型專利號(hào) ZL200610096870. 9實(shí)用新型專利公開號(hào)CN1967993)公開了一種雙buck/boost雙向交流斬波器，包括由一端接地的濾波電容與交流正弦電壓電源并聯(lián)構(gòu)成的電源電路還包括第一 buck/boost電路和第二 buck/boost電路，該實(shí)用新型解決了電流換向問(wèn)題，可實(shí)現(xiàn)降壓或者升壓AC/AC變換。但是，由于該實(shí)用新型的技術(shù)方案是通過(guò)將兩個(gè)DC/DC基本拓?fù)?buck/ boost電路)進(jìn)行并聯(lián)得到的，受buck/boost電路結(jié)構(gòu)的影響，其電路結(jié)構(gòu)，尤其是其控制電路比較復(fù)雜。

實(shí)用新型內(nèi)容本實(shí)用新型的目的是要提供一種微處理器控制的簡(jiǎn)單可靠的交流可調(diào)電力測(cè)量專用電源，以新的簡(jiǎn)單可靠的電路結(jié)構(gòu)解決AC/AC電源變換的技術(shù)問(wèn)題，為電力測(cè)量?jī)x器提供的輸出穩(wěn)定的可調(diào)正弦電壓及電流。本實(shí)用新型解決上述技術(shù)問(wèn)題所采用的技術(shù)方案是一種交流可調(diào)電力測(cè)量專用電源，包括開關(guān)換流單元、輸入采樣單元、輸出采樣單元、控制單元和驅(qū)動(dòng)單元，所述的開關(guān)換流單元連接在交流電源和交流負(fù)載之間。所述的開關(guān)換流單元采用4個(gè)具有控制極的開關(guān)器件和4個(gè)二極管，組成包含鏡像橋臂的類 Buck-Boost電路；所述Buck-Boost電路的開關(guān)器件共用一組濾波電感和濾波電容。4個(gè)二極管的陽(yáng)極和陰極分別反向并聯(lián)到第一至第四4個(gè)開關(guān)器件的陰極和陽(yáng)極；第一開關(guān)器件和第二開關(guān)器件的陽(yáng)極構(gòu)成開關(guān)換流單元的輸入端，分別連接到輸入交流電源的兩端；第三開關(guān)器件和第四開關(guān)器件的陰極分別連接到濾波電容的兩端，構(gòu)成開關(guān)換流單元的輸出端，分別連接到輸出交流負(fù)載的兩端；第一開關(guān)器件的陰極連接到第三開關(guān)器件的陽(yáng)極和濾波電感元件的一端，第二開關(guān)器件的陰極連接到第四開關(guān)器件的陽(yáng)極和濾波電感元件的另一端。所述開關(guān)換流單元通過(guò)所述輸入采樣單元和輸出采樣單元連接到與所述的控制單元；所述控制單元通過(guò)所述的驅(qū)動(dòng)單元連接到所述4個(gè)開關(guān)器件的控制極。本實(shí)用新型的交流可調(diào)電力測(cè)量專用電源的一種較佳的技術(shù)方案是所述控制單元采用微處理器程序控制單元，包括執(zhí)行控制程序的微處理器、存儲(chǔ)數(shù)據(jù)和控制程序的存儲(chǔ)器、IO接口電路、AD轉(zhuǎn)換器和PWM輸出單元；所述控制單元的輸入端包括數(shù)字信號(hào)輸入端和模擬信號(hào)輸入端，所述數(shù)字信號(hào)輸入端通過(guò)IO接口電路連接到微處理器，所述模擬信號(hào)輸入端通過(guò)AD轉(zhuǎn)換器連接到微處理器，其中至少有一個(gè)模擬信號(hào)輸入端連接有輸出電壓調(diào)節(jié)元件；所述PWM輸出單元至少包含4路PWM模塊，微處理器通過(guò)PWM模塊連接所述的驅(qū)動(dòng)單元。本實(shí)用新型的交流可調(diào)電力測(cè)量專用電源的一種更好的技術(shù)方案是所述輸出采樣單元包括電壓采樣電路和電壓過(guò)零檢測(cè)電路；電壓采樣電路的輸入端連接在所述開關(guān)換流單元的輸出端，電壓采樣電路的輸出端連接到所述控制單元的模擬信號(hào)輸入端；開關(guān)換流單元的輸出端通過(guò)電壓過(guò)零檢測(cè)電路連接到所述控制單元的數(shù)字信號(hào)輸入端。本實(shí)用新型的交流可調(diào)電力測(cè)量專用電源的另一種更好的技術(shù)方案是所述電流采樣單元包括電流采樣電路和電流過(guò)零檢測(cè)電路；電流采樣電路串聯(lián)在所述開關(guān)換流單元的輸入端，電流采樣電路的輸出端通過(guò)電流過(guò)零檢測(cè)電路連接到所述控制單元的數(shù)字信號(hào)輸入端。本實(shí)用新型的交流可調(diào)電力測(cè)量專用電源的一種經(jīng)過(guò)改進(jìn)的技術(shù)方案是所述電壓過(guò)零檢測(cè)電路和電流過(guò)零檢測(cè)電路的輸出端連接到所述微處理器的外部信號(hào)捕獲輸入端，微處理器利用上升/下降沿捕獲判斷電壓和電流的相位。本實(shí)用新型的交流可調(diào)電力測(cè)量專用電源的進(jìn)一步改進(jìn)的技術(shù)方案是所述驅(qū)動(dòng)單元包含高壓側(cè)懸浮驅(qū)動(dòng)電路和光耦元件，所述控制單元的輸出端通過(guò)光耦元件和高壓側(cè)懸浮驅(qū)動(dòng)電路兩級(jí)隔離后連接到所述開關(guān)器件的控制極。本實(shí)用新型的有益效果是本實(shí)用新型的交流可調(diào)電力測(cè)量專用電源采用全控式開關(guān)器件拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，輸出不采用輸出變壓器，適應(yīng)感性負(fù)載體積小重量輕，不消耗有色金屬，特別適合便攜設(shè)備使用。 本實(shí)用新型的交流可調(diào)電力測(cè)量專用電源可用于大電流的感性負(fù)載，具有較好的可靠性和較好的正弦波形。共用一組濾波電感和濾波電容，與現(xiàn)有技術(shù)公開的雙buck/boost雙向交流斬波器相比，省略了一組濾波電感和濾波電容，使電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)更加簡(jiǎn)單。本實(shí)用新型通過(guò)電路要素變更和省略，在提高可靠性和降低成本的基礎(chǔ)上，保持了現(xiàn)有技術(shù)方案的全部功能。由于濾波電感和濾波電容元件在AC/AC變換電路中工作在高電壓、高頻率、大電流的工作狀態(tài)，省略濾波電感和濾波電容不僅可以降低成本，還可以提高可靠性。利用采用微處理器程序控制單元解決AC/AC電源變換器開關(guān)器件換流控制電路復(fù)雜的技術(shù)問(wèn)題，根據(jù)電壓和電流的相位差適時(shí)控制開關(guān)器件，使其在正弦波周期中按要求導(dǎo)通和關(guān)閉，通過(guò)占空比變化來(lái)實(shí)現(xiàn)調(diào)壓，使電源變換器在一定的輸入電壓范圍內(nèi)都能輸出穩(wěn)定的正弦電壓及電流，在簡(jiǎn)化電路硬件結(jié)構(gòu)的同時(shí)，滿足電力測(cè)量設(shè)備及其他領(lǐng)域?qū)烧{(diào)交流電源穩(wěn)定性和可靠性的要求。

圖1是本實(shí)用新型的交流可調(diào)電力測(cè)量專用電源的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)電原理圖；圖2是開關(guān)器件驅(qū)動(dòng)信號(hào)波形圖；[0017]圖3是類Buck-Boost電路的開關(guān)換流單元的工作狀態(tài)示意圖；圖4是本實(shí)用新型的交流可調(diào)電力測(cè)量專用電源的微處理器程序控制單元的電原理圖；圖5是電壓過(guò)零檢測(cè)電路的電原理圖；圖6是電壓過(guò)零檢測(cè)電路的波形圖；圖7是電流采樣電路和電流過(guò)零檢測(cè)電路的電原理圖；圖8是電流采樣電路和電流過(guò)零檢測(cè)電路的波形圖；圖9是定時(shí)器中斷產(chǎn)生可調(diào)PWM的定時(shí)波形圖。圖10是驅(qū)動(dòng)單元的電原理具體實(shí)施方式
為了能更好地理解本實(shí)用新型的上述技術(shù)方案，
以下結(jié)合附圖和實(shí)施例進(jìn)行進(jìn)一步地詳細(xì)描述。圖1為本實(shí)用新型的交流可調(diào)電力測(cè)量專用電源的一個(gè)實(shí)施例的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)電原理圖，包括開關(guān)換流單元10、輸入采樣單元20、輸出采樣單元30、控制單元40和驅(qū)動(dòng)單元 50，開關(guān)換流單元10連接在交流電源AC和交流負(fù)載之間，開關(guān)換流單元采用4個(gè)具有控制極的開關(guān)器件和4個(gè)二極管，組成包含鏡像橋臂的類Buck-Boost電路；類Buck-Boost電路的開關(guān)器件Sl至S4共用一組濾波電感L和濾波電容C ;4個(gè)二極管的陽(yáng)極和陰極分別反向并聯(lián)到第一至第四4個(gè)開關(guān)器件Sl至S4的陰極和陽(yáng)極；第一開關(guān)器件Sl和第二開關(guān)器件S2的陽(yáng)極構(gòu)成開關(guān)換流單元10的輸入端，分別連接到輸入交流電源AC的兩端；第三開關(guān)器件S3和第四開關(guān)器件S4的陰極分別連接到濾波電容C的兩端，構(gòu)成開關(guān)換流單元10 的輸出端，分別連接到輸出交流負(fù)載的兩端；第一開關(guān)器件Sl的陰極連接到第三開關(guān)器件 S3的陽(yáng)極和濾波電感元件L的一端，第二開關(guān)器件S2的陰極連接到第四開關(guān)器件S4的陽(yáng)極和濾波電感元件L的另一端。開關(guān)換流單元10通過(guò)輸入采樣單元20和輸出采樣單元30 連接到與控制單元40 ；控制單元40通過(guò)驅(qū)動(dòng)單元50連接到4個(gè)開關(guān)器件的控制極。在本實(shí)施例中，Si、S2、S3、S4采用四個(gè)IGBT (絕緣柵雙極型晶體管)，其中Si、S3 與S2、S4也可以分別用一個(gè)串聯(lián)的IGBT模塊來(lái)組成。同樣，4個(gè)開關(guān)器件也可以采用功率 MOSFET或其他的控制極可關(guān)斷的半導(dǎo)體開關(guān)器件。在本實(shí)用新型中開關(guān)器件的陽(yáng)極對(duì)應(yīng)于 IGBT的集電極或MOSFET的漏極，陰極對(duì)應(yīng)于IGBT的發(fā)射極或MOSFET的源極，控制極對(duì)應(yīng)于IGBT或MOSFET的門極或柵極。圖1所示結(jié)構(gòu)類似于將升降壓Buck-Boost電路進(jìn)行鏡像，增加一個(gè)橋臂，同時(shí)將 Buck-Boost中的二極管用帶有反并聯(lián)二極管的開關(guān)器件替代，在本實(shí)用新型中將其稱之為類Buck-Boost電路。這種結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)的難點(diǎn)在于當(dāng)交流電壓過(guò)零時(shí)的換流問(wèn)題，為了解決這個(gè)問(wèn)題，可以采樣輸入Vi和輸出電壓Vo，當(dāng)Vi > Vo時(shí)，令S2、S4常開，Si、S3高頻互補(bǔ)。 當(dāng)Vi <Vo時(shí)，S1、S3常開，S2、S4高頻互補(bǔ)。開關(guān)器件的開關(guān)驅(qū)動(dòng)信號(hào)如圖2所示。在t0 到tl這段時(shí)間里，S2和S4常開，電感上的電流IL可能大于零也可能小于零。當(dāng)L>0， Sl開通時(shí)，電流經(jīng)Sl和S2的反并聯(lián)二極管流通，電感L儲(chǔ)能，如圖3 (a)所示；Sl關(guān)閉時(shí)， 電流經(jīng)S4和S3的反并聯(lián)二極管向負(fù)載釋放能量，如圖3(b)所示；當(dāng)L < 0，S3關(guān)閉時(shí)，電流經(jīng)S2和Sl的反并聯(lián)二極管向電源回饋能量，如圖3 (c)所示S3開通時(shí)，電流經(jīng)S3和S4的反并聯(lián)二極管向負(fù)載釋放能量，如圖3(d)所示。tl到t2時(shí)段電路的工作過(guò)程可類似分析得到。當(dāng)電路工作在占空比D大于0. 5的情況下，該電路可實(shí)現(xiàn)升壓功能，而當(dāng)占空比小于0. 5時(shí)，電路可以實(shí)現(xiàn)降壓功能。通過(guò)對(duì)輸出電壓進(jìn)行采樣反饋控制，控制電路工作的占空比，就可以提供穩(wěn)定的可調(diào)正弦波電源輸出。假定開關(guān)管為理想元件，可以瞬間導(dǎo)通和截止，而且導(dǎo)通時(shí)壓降為零，截止時(shí)漏電流為零；電感、電容是理想元件；輸出電壓中的紋波電壓與輸出電壓的比值小到允許忽略。 在一個(gè)開關(guān)周期里，輸入的正弦電壓可近似認(rèn)為是直流電壓，根據(jù)Buck-Boost的工作原理，輸入電壓與輸出電壓的關(guān)系
Dur. = i!..
i — Lf其中uo、Ui分別為一個(gè)開關(guān)周期里的輸入電壓和輸出電壓，D為占空比。從一個(gè)完整的工頻周期來(lái)看，輸入電壓有效值和輸出電壓有效值的關(guān)系也符合因此，在輸入電壓Vi不穩(wěn)定或負(fù)載變化的時(shí)候，只需改變占空比D即可穩(wěn)定輸出電壓Vo。濾波電感L和濾波電容C的選擇可參照現(xiàn)有技術(shù)Buck-Boost電路參數(shù)通過(guò)設(shè)計(jì)計(jì)算得到。本實(shí)用新型的交流可調(diào)電力測(cè)量專用電源的控制單元40的一個(gè)較佳的實(shí)施例如圖4所示，控制單元10采用微處理器程序控制單元。在本實(shí)施例中，采用STC12CM12AD單片機(jī)ICl作為控制芯片，芯片內(nèi)部集成了執(zhí)行控制程序的微處理器、存儲(chǔ)數(shù)據(jù)和控制程序的存儲(chǔ)器、IO接口電路、AD轉(zhuǎn)換器、定時(shí)器和4通道捕獲比較單元(PCA模塊)。3端穩(wěn)壓器 Ul提供5V單片機(jī)工作電壓，ZD1、ZD2和ZD3為5. IV穩(wěn)壓管用于保護(hù)單片機(jī)。數(shù)字信號(hào)輸入端通過(guò)IO接口電路連接到微處理器，模擬信號(hào)輸入端通過(guò)AD轉(zhuǎn)換器連接到微處理器，構(gòu)成控制單元10的數(shù)字信號(hào)輸入端和模擬信號(hào)輸入端。單片機(jī)Pl. 2、Pl. 3工作在高阻狀態(tài)，用作AD轉(zhuǎn)換輸入端。輸出電壓調(diào)節(jié)元件Wl 連接在AD轉(zhuǎn)換器的輸入端Pl. 3。輸出電壓調(diào)節(jié)元件Wl是用于調(diào)節(jié)輸出電壓的電位器，可以產(chǎn)生0 5V的直流電壓，通過(guò)AD轉(zhuǎn)換成00 IFF的十六進(jìn)制碼作為調(diào)壓基準(zhǔn)。輸出采樣單元中采用電壓傳感器對(duì)輸出電壓進(jìn)行采樣，電壓傳感器將0 250V交流電壓變換為 0 5V的直流電壓。電壓傳感器的輸出端連接到控制單元的輸入端DV，再通過(guò)RC濾波電路濾除高頻干擾后，連接到AD轉(zhuǎn)換器的輸入端Pl. 2，將采樣電壓送入微處理器做平均值計(jì)算，并與電壓調(diào)節(jié)元件Wl設(shè)定的輸出電壓做運(yùn)算，得到占空比D的值。本實(shí)施例利用單片機(jī)的定時(shí)器和PCA模塊構(gòu)成4路可調(diào)占空比PWM輸出單元，微處理器通過(guò)程序控制PWM輸出單元的4路PWM輸出。單片機(jī)的PCA模塊含有一個(gè)特殊的16位定時(shí)計(jì)數(shù)器，有4個(gè)16位的捕獲/比較模塊與之相連。16位PCA定時(shí)計(jì)數(shù)器的計(jì)數(shù)值就是寄存器CH和CL的內(nèi)容。每個(gè)模塊可編程工作在4種模式下上升/下降沿捕獲、軟件定時(shí)器、高速輸出或可調(diào)制脈沖輸出。當(dāng) PCA定時(shí)計(jì)數(shù)器溢出時(shí)，如果微處理器的CMOD寄存器設(shè)置為允許中斷狀態(tài)，就可以產(chǎn)生定時(shí)計(jì)數(shù)中斷。所有PCA模塊共用一個(gè)中斷向量。[0040]PCA的每個(gè)模塊都對(duì)應(yīng)一個(gè)特殊功能寄存器.它們分別是模塊0對(duì)應(yīng)CCAPM0，模塊1對(duì)應(yīng)CCAPM1，模塊2對(duì)應(yīng)CCAPM2，模塊3對(duì)應(yīng)CCAPM3。特殊功能寄存器包含了相應(yīng)模塊的工作模式控制位。PCA定時(shí)計(jì)數(shù)器是4個(gè)模塊的公共時(shí)間基準(zhǔn)，可通過(guò)編程工作在1/12振蕩頻率、 1/2振蕩頻率、定時(shí)器0溢出或ECI腳的輸入(P3. 4)。定時(shí)器的計(jì)數(shù)源由CMOD寄存器確定。 設(shè)置PCAO和PCAl工作在上升/下降沿模式下，來(lái)檢測(cè)電壓、電流的過(guò)零點(diǎn)信號(hào)。所有PCA模塊都可以作PWM輸出，要使能PWM模式，模塊CCAPMn寄存器的PWMn和 ECOMn位必須置位，其輸出頻率取決于PCA定時(shí)器的時(shí)鐘源。由于所有模塊共用僅有的PCA定時(shí)器，所以它們的輸出頻率相同。各個(gè)模塊的輸出占空比是獨(dú)立變化的，與使用的捕獲寄存器EPCnL和CCAPnL有關(guān)。當(dāng)CL寄存器的值小于 EPCnL和CCAPnL時(shí)，輸出為低，當(dāng)PCA的CL寄存器的值等于或大于EPCnL和CCAPnL時(shí)，輸出為高。當(dāng)CL的值由FF變?yōu)?0溢出時(shí)，捕獲寄存器EPCnH和CCAPnH的內(nèi)容裝載到EPCnL 和CCAPnL中，從而實(shí)現(xiàn)無(wú)干擾地更新PWM。由于PWM是8位的，所以當(dāng) EPCnL = 0 及 CCAI^nL = OOH 時(shí)，PWM 固定輸出高；當(dāng) EPCnL = 1 及 CCAI^nL = OFFH 時(shí)，PWM 固定輸出低。單片機(jī)外接時(shí)鐘為11. 0592M晶振，PCA定時(shí)器工作在1/2震蕩頻率，有上式可得 PWM的頻率為fPWM = 21. 6KHz，設(shè)置PCAO和PCAl模塊工作在可調(diào)制脈寬輸出模式PCAO連接到微處理器ICl的輸出端P3. 7，通過(guò)控制單元40的PWMl輸出端連接到驅(qū)動(dòng)單元，控制第一開關(guān)器件Sl ；PCAl連接到微處理器ICl的輸出端P3. 5，通過(guò)控制單元 40的PWM2輸出端連接到驅(qū)動(dòng)單元，控制第二開關(guān)器件S2。當(dāng)PCA工作在上升/下降沿觸發(fā)捕捉模式，模塊對(duì)外部輸入的跳變進(jìn)行采樣。當(dāng)采樣到有效跳變的時(shí)候，PCA硬件就將PCA定時(shí)計(jì)數(shù)器寄存器CH和CL的值裝載到模塊的捕獲寄存器CCAPnL和CCAPnH中。PCA2和PCA3設(shè)置為上升/下降沿捕捉工作模式，結(jié)合硬件電路設(shè)計(jì)在PCA中斷中實(shí)現(xiàn)電壓、電流檢測(cè)。電壓、電流過(guò)零檢測(cè)電路通過(guò)比較器對(duì)輸出電壓過(guò)零點(diǎn)進(jìn)行檢測(cè)，把模擬量轉(zhuǎn)換成數(shù)字量，送單片機(jī)中斷INTO和INT1，通過(guò)軟件程序控制開關(guān)器件的開關(guān)狀態(tài)。輸出采樣單元包括電壓過(guò)零檢測(cè)電路，電壓過(guò)零檢測(cè)電路如圖5所示，在本實(shí)施例中，采用LM311電壓比較器完成電壓過(guò)零檢測(cè)。輸出電壓通過(guò)降壓變壓器后得到50HZ的交流信號(hào)ZC，在本實(shí)施例中，降壓變壓器為220:12V，變壓器輸出電壓ZC經(jīng)過(guò)由R17和C12 組成低通濾波器送到電壓比較器U3的正輸入端。-15V經(jīng)過(guò)R18、R20分壓得到比較器的基準(zhǔn)電壓，來(lái)調(diào)節(jié)由RC低通濾波器產(chǎn)生的微小的相位偏移。U3的3腳約等于0，R21、C30為輸出RC低通濾波器R22為上拉電阻。其波形如圖6所示。其中ZC為降壓變壓器副邊波形，INT為經(jīng)電壓比較器后的波形。由圖可知，在輸出電壓由正到負(fù)過(guò)零點(diǎn)時(shí)，INT正好在下降沿，輸出電壓由負(fù)到正過(guò)零點(diǎn)時(shí)，INT正好在上升沿。INT輸出端連接到送到控制單元的INTO輸入端(單片機(jī)P2.0引腳)，單片機(jī)利用PCA2的上升/下降沿捕獲判斷輸出電壓的相位。電流采樣單元包括電流采樣電路和電流過(guò)零檢測(cè)電路，如圖7所示，在本實(shí)施例中，輸入采樣單元使用精密電流互感器作為電流采樣元件，電流互感器初級(jí)串聯(lián)在所述開關(guān)換流單元的輸入端，輸入電流Ii經(jīng)過(guò)電流互感器初級(jí)，電流互感器的次級(jí)會(huì)產(chǎn)生一個(gè)與相應(yīng)的輸出電流12，輸出電流12通過(guò)采樣電阻RS變?yōu)殡妷盒盘?hào)，經(jīng)運(yùn)算放大器U2放大得到取樣電壓VI1，送入過(guò)零檢測(cè)電路ZIC輸入端。過(guò)零檢測(cè)電路ZIC與電壓過(guò)零檢測(cè)電路原理相同，其波形如圖8所示。由圖可知，當(dāng)電流由負(fù)到正過(guò)零點(diǎn)時(shí)INTl正好在下降沿，當(dāng)電流正到負(fù)過(guò)零點(diǎn)時(shí)，INTl正好在上升沿。電流過(guò)零檢測(cè)電路ZIC的輸出端INTl連接到到控制單元的INTl輸入端(單片機(jī)P2. 4引腳)，單片機(jī)利用PCA3的上升/下降沿捕獲判斷電流的相位。用于續(xù)流的開關(guān)器件S3和S4的驅(qū)動(dòng)PWM由定時(shí)器中斷來(lái)實(shí)現(xiàn)，其定時(shí)波形圖如圖9所示。要產(chǎn)生PWM的周期的時(shí)間由定時(shí)器Tl來(lái)控制，占空比的大小由TO來(lái)控制。根據(jù)產(chǎn)生PWM的周期和單片機(jī)的時(shí)鐘來(lái)確定Tl定時(shí)器的初始值M1，定時(shí)器工作在1時(shí)鐘周期 16位定時(shí)器工作模式下則有Ml = 216_f。sc*T由 T = 1/fpwm = 46. 296us,fosc = 11. 0592，Ml = FE00H,即定時(shí)器 Tl 的初始值為 THl = OFEH, TLl = 00H。根據(jù)要輸出PWM占空比的大小來(lái)確定定時(shí)器TO的THO和TLO的初始值。設(shè)輸出 PWM占空比為D，定時(shí)器TO的初始值為MO則有MO = 216_f。sc*T*D定時(shí)器Tl溢出中斷中使輸出PWM的I/O 口置1，并啟動(dòng)定時(shí)器TO。定時(shí)器TO溢出中斷使輸出PWM的I/O 口清0，并關(guān)閉定時(shí)器TO。微處理器ICl的I/O 口 Pl. 0用作PWM3的輸出端連接到驅(qū)動(dòng)單元，控制第三開關(guān)器件S3 ；微處理器ICl的I/O 口 P3. 4用作PWM4的輸出端連接到驅(qū)動(dòng)單元，控制第四開關(guān)器件S4。本實(shí)施例采用頂2110集成IGBT柵極驅(qū)動(dòng)器構(gòu)成驅(qū)動(dòng)電路，IR2110是一種雙通道高壓、高速電壓型功率開關(guān)器件，具有自舉浮動(dòng)電源的高壓側(cè)懸浮驅(qū)動(dòng)電路。圖10所示的電原理圖展示了驅(qū)動(dòng)單元中的第三開關(guān)器件S3的驅(qū)動(dòng)電路，驅(qū)動(dòng)單元包含4路驅(qū)動(dòng)電路， 其他3路驅(qū)動(dòng)電路完全相同。在本實(shí)施例中，利用光耦元件和高壓側(cè)懸浮驅(qū)動(dòng)電路實(shí)現(xiàn)兩級(jí)隔離，高速光耦U5把單片機(jī)驅(qū)動(dòng)信號(hào)PWM3與驅(qū)動(dòng)電路U4隔離，充分保證微處理器程序控制系統(tǒng)的可靠性。C50為自舉電容、擬6為自舉二極管，ClOl為濾波電容。在S3關(guān)斷期間 C50充電到足夠的電壓(VCC)，當(dāng)HIN、LIN為高電平時(shí)，C50上的電壓VC50通過(guò)U4的VB和 HO輸出端之間的內(nèi)部電路連接，C50通過(guò)U4的VB和HO端，似8和S3的柵極和源極形成回路放電。此時(shí)C50就相當(dāng)于一個(gè)電壓源加到IGBTl的柵極和源極之間，從而使S3導(dǎo)通。當(dāng) HIN、LIN為低電平時(shí)，VB和HO輸出端之間連接關(guān)斷，HO和VS輸出端之間導(dǎo)通，S3關(guān)斷，LO 輸出低電平使Q3關(guān)斷，Q4導(dǎo)通。在此同時(shí)VCC經(jīng)自舉二極管，C50和Q4形成回路，對(duì)C50 進(jìn)行充電，迅速為C50補(bǔ)充能量，如此循環(huán)反復(fù)。本技術(shù)領(lǐng)域中的普通技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)認(rèn)識(shí)到，以上的實(shí)施例僅是用來(lái)說(shuō)明本實(shí)用新型的技術(shù)方案，而并非用作為對(duì)本實(shí)用新型的限定，任何基于本實(shí)用新型的實(shí)質(zhì)精神對(duì)以上所述實(shí)施例所作的變化、變型，都將落在本實(shí)用新型的權(quán)利要求的保護(hù)范圍內(nèi)。
權(quán)利要求1.一種交流可調(diào)電力測(cè)量專用電源，包括開關(guān)換流單元、輸入采樣單元、輸出采樣單元、控制單元和驅(qū)動(dòng)單元，所述的開關(guān)換流單元連接在交流電源和交流負(fù)載之間，其特征在于所述的開關(guān)換流單元采用4個(gè)具有控制極的開關(guān)器件和4個(gè)二極管，組成包含鏡像橋臂的類Buck-Boost電路；所述類Buck-Boost電路的開關(guān)器件連接一組濾波電感和濾波電容；4個(gè)二極管的陽(yáng)極和陰極分別反向并聯(lián)到第一至第四4個(gè)開關(guān)器件的陰極和陽(yáng)極；第一開關(guān)器件和第二開關(guān)器件的陽(yáng)極構(gòu)成開關(guān)換流單元的輸入端，分別連接到輸入交流電源的兩端；第三開關(guān)器件和第四開關(guān)器件的陰極分別連接到濾波電容的兩端，構(gòu)成開關(guān)換流單元的輸出端，分別連接到輸出交流負(fù)載的兩端；第一開關(guān)器件的陰極連接到第三開關(guān)器件的陽(yáng)極和濾波電感元件的一端，第二開關(guān)器件的陰極連接到第四開關(guān)器件的陽(yáng)極和濾波電感元件的另一端；所述開關(guān)換流單元通過(guò)所述輸入采樣單元和輸出采樣單元連接到與所述的控制單元； 所述控制單元通過(guò)所述的驅(qū)動(dòng)單元連接到所述4個(gè)開關(guān)器件的控制極。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的交流可調(diào)電力測(cè)量專用電源，其特征在于所述控制單元是微處理器程序控制單元，包括執(zhí)行控制程序的微處理器、存儲(chǔ)數(shù)據(jù)和控制程序的存儲(chǔ)器、IO接口電路、AD轉(zhuǎn)換器和PWM輸出單元；所述控制單元的輸入端包括數(shù)字信號(hào)輸入端和模擬信號(hào)輸入端，所述數(shù)字信號(hào)輸入端通過(guò)IO接口電路連接到微處理器，所述模擬信號(hào)輸入端通過(guò)AD轉(zhuǎn)換器連接到微處理器，其中至少有一個(gè)模擬信號(hào)輸入端連接有輸出電壓調(diào)節(jié)元件； 所述PWM輸出單元至少包含4路PWM模塊，微處理器通過(guò)PWM模塊連接所述的驅(qū)動(dòng)單元。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的交流可調(diào)電力測(cè)量專用電源，其特征在于所述輸出采樣單元包括電壓采樣電路和電壓過(guò)零檢測(cè)電路；電壓采樣電路的輸入端連接在所述開關(guān)換流單元的輸出端，電壓采樣電路的輸出端連接到所述控制單元的模擬信號(hào)輸入端；開關(guān)換流單元的輸出端通過(guò)電壓過(guò)零檢測(cè)電路連接到所述控制單元的數(shù)字信號(hào)輸入端。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的交流可調(diào)電力測(cè)量專用電源，其特征在于所述輸入采樣單元包括電流采樣電路和電流過(guò)零檢測(cè)電路；電流采樣電路連接在所述開關(guān)換流單元的輸入端，電流采樣電路的輸出端通過(guò)電流過(guò)零檢測(cè)電路連接到所述控制單元的數(shù)字信號(hào)輸入端。
5.根據(jù)權(quán)利要求3或權(quán)利要求4所述的交流可調(diào)電力測(cè)量專用電源，其特征在于所述電壓過(guò)零檢測(cè)電路和電流過(guò)零檢測(cè)電路的輸出端連接到所述微處理器的外部信號(hào)捕獲輸入端，微處理器利用上升/下降沿捕獲判斷電壓和電流的相位。
6.根據(jù)權(quán)利要求1至4任一權(quán)利要求所述的交流可調(diào)電力測(cè)量專用電源，其特征在于所述驅(qū)動(dòng)單元包含高壓側(cè)懸浮驅(qū)動(dòng)電路和光耦元件，所述控制單元的輸出端通過(guò)光耦元件和高壓側(cè)懸浮驅(qū)動(dòng)電路兩級(jí)隔離后連接到所述開關(guān)器件的控制極。
專利摘要本實(shí)用新型要提供一種微處理器控制的簡(jiǎn)單可靠的交流可調(diào)電力測(cè)量專用電源，主要涉及一種應(yīng)用有控制極的半導(dǎo)體器件的AC/AC電源變換裝置，尤其涉及一種微處理器控制的為便攜式電力電子測(cè)量?jī)x器提供線性可調(diào)的正弦交流電壓及電流的電源變換裝置。包括開關(guān)換流單元、輸入采樣單元、輸出采樣單元、控制單元和驅(qū)動(dòng)單元，所述的開關(guān)換流單元連接在交流電源和交流負(fù)載之間，開關(guān)換流單元采用4個(gè)具有控制極的開關(guān)器件和4個(gè)二極管，開關(guān)器件共用一組濾波電感和濾波電容；開關(guān)換流單元通過(guò)所述輸入采樣單元和輸出采樣單元連接到與所述的控制單元；所述控制單元通過(guò)所述的驅(qū)動(dòng)單元連接到所述4個(gè)開關(guān)器件的控制極。
文檔編號(hào)H02M5/458GK202150804SQ2011203534
公開日2012年2月22日 申請(qǐng)日期2011年9月20日 優(yōu)先權(quán)日2011年9月20日
發(fā)明者孫偉華, 孫長(zhǎng)河, 朱鈺, 王競(jìng)翔, 蔚曉明, 趙園, 邵寶珠, 馬斌 申請(qǐng)人:東北電力科學(xué)研究院有限公司, 太原山互科技有限公司, 山西省電力公司電力科學(xué)研究院, 遼寧省電力有限公司