专利名称：交流可调电力测量专用电源的制作方法电力测量要模拟供电及用电现场的运行条件，往往要在其测量仪器上提供线性可调的正弦交流电压及电流。现有的AC/DC/DC/AC方式通常需要使用变压器，而且变压器的容量必须满足输出功率的要求，电力测量设备的电源通常需要3-lOkw的输出功率，能够满足3-lOkw的输出功率要求的变压器不但重量很大的，而且制造变压器需要消耗大量有色金属和电工钢，其制造成本也很高。采用AC/AC变换装置实现升压或降压调压是一种常用的方法。中国实用新型专利“双buck/boost双向交流斩波器”(中国实用新型专利号 ZL200610096870. 9实用新型专利公开号CN1967993)公开了一种双buck/boost双向交流斩波器，包括由一端接地的滤波电容与交流正弦电压电源并联构成的电源电路还包括第一 buck/boost电路和第二 buck/boost电路，该实用新型解决了电流换向问题，可实现降压或者升压AC/AC变换。但是，由于该实用新型的技术方案是通过将两个DC/DC基本拓扑(buck/ boost电路)进行并联得到的，受buck/boost电路结构的影响，其电路结构，尤其是其控制电路比较复杂。
图1是本实用新型的交流可调电力测量专用电源的拓扑结构电原理图；图2是开关器件驱动信号波形图；[0017]图3是类Buck-Boost电路的开关换流单元的工作状态示意图；图4是本实用新型的交流可调电力测量专用电源的微处理器程序控制单元的电原理图；图5是电压过零检测电路的电原理图；图6是电压过零检测电路的波形图；图7是电流采样电路和电流过零检测电路的电原理图；图8是电流采样电路和电流过零检测电路的波形图；图9是定时器中断产生可调PWM的定时波形图。图10是驱动单元的电原理为了能更好地理解本实用新型的上述技术方案，以下结合附图和实施例进行进一步地详细描述。图1为本实用新型的交流可调电力测量专用电源的一个实施例的拓扑结构电原理图，包括开关换流单元10、输入采样单元20、输出采样单元30、控制单元40和驱动单元 50，开关换流单元10连接在交流电源AC和交流负载之间，开关换流单元采用4个具有控制极的开关器件和4个二极管，组成包含镜像桥臂的类Buck-Boost电路；类Buck-Boost电路的开关器件Sl至S4共用一组滤波电感L和滤波电容C ;4个二极管的阳极和阴极分别反向并联到第一至第四4个开关器件Sl至S4的阴极和阳极；第一开关器件Sl和第二开关器件S2的阳极构成开关换流单元10的输入端，分别连接到输入交流电源AC的两端；第三开关器件S3和第四开关器件S4的阴极分别连接到滤波电容C的两端，构成开关换流单元10 的输出端，分别连接到输出交流负载的两端；第一开关器件Sl的阴极连接到第三开关器件 S3的阳极和滤波电感元件L的一端，第二开关器件S2的阴极连接到第四开关器件S4的阳极和滤波电感元件L的另一端。开关换流单元10通过输入采样单元20和输出采样单元30 连接到与控制单元40 ；控制单元40通过驱动单元50连接到4个开关器件的控制极。在本实施例中，Si、S2、S3、S4采用四个IGBT (绝缘栅双极型晶体管)，其中Si、S3 与S2、S4也可以分别用一个串联的IGBT模块来组成。同样，4个开关器件也可以采用功率 MOSFET或其他的控制极可关断的半导体开关器件。在本实用新型中开关器件的阳极对应于 IGBT的集电极或MOSFET的漏极，阴极对应于IGBT的发射极或MOSFET的源极，控制极对应于IGBT或MOSFET的门极或栅极。图1所示结构类似于将升降压Buck-Boost电路进行镜像，增加一个桥臂，同时将 Buck-Boost中的二极管用带有反并联二极管的开关器件替代，在本实用新型中将其称之为类Buck-Boost电路。这种结构实现的难点在于当交流电压过零时的换流问题，为了解决这个问题，可以采样输入Vi和输出电压Vo，当Vi > Vo时，令S2、S4常开，Si、S3高频互补。 当Vi <Vo时，S1、S3常开，S2、S4高频互补。开关器件的开关驱动信号如图2所示。在t0 到tl这段时间里，S2和S4常开，电感上的电流IL可能大于零也可能小于零。当L>0， Sl开通时，电流经Sl和S2的反并联二极管流通，电感L储能，如图3 (a)所示；Sl关闭时， 电流经S4和S3的反并联二极管向负载释放能量，如图3(b)所示；当L < 0，S3关闭时，电流经S2和Sl的反并联二极管向电源回馈能量，如图3 (c)所示S3开通时，电流经S3和S4的反并联二极管向负载释放能量，如图3(d)所示。tl到t2时段电路的工作过程可类似分析得到。当电路工作在占空比D大于0. 5的情况下，该电路可实现升压功能，而当占空比小于0. 5时，电路可以实现降压功能。通过对输出电压进行采样反馈控制，控制电路工作的占空比，就可以提供稳定的可调正弦波电源输出。假定开关管为理想元件，可以瞬间导通和截止，而且导通时压降为零，截止时漏电流为零；电感、电容是理想元件；输出电压中的纹波电压与输出电压的比值小到允许忽略。 在一个开关周期里，输入的正弦电压可近似认为是直流电压，根据Buck-Boost的工作原理，输入电压与输出电压的关系Dur. = i!..i — Lf其中uo、Ui分别为一个开关周期里的输入电压和输出电压，D为占空比。从一个完整的工频周期来看，输入电压有效值和输出电压有效值的关系也符合因此，在输入电压Vi不稳定或负载变化的时候，只需改变占空比D即可稳定输出电压Vo。滤波电感L和滤波电容C的选择可参照现有技术Buck-Boost电路参数通过设计计算得到。本实用新型的交流可调电力测量专用电源的控制单元40的一个较佳的实施例如图4所示，控制单元10采用微处理器程序控制单元。在本实施例中，采用STC12CM12AD单片机ICl作为控制芯片，芯片内部集成了执行控制程序的微处理器、存储数据和控制程序的存储器、IO接口电路、AD转换器、定时器和4通道捕获比较单元(PCA模块)。3端稳压器 Ul提供5V单片机工作电压，ZD1、ZD2和ZD3为5. IV稳压管用于保护单片机。数字信号输入端通过IO接口电路连接到微处理器，模拟信号输入端通过AD转换器连接到微处理器，构成控制单元10的数字信号输入端和模拟信号输入端。单片机Pl. 2、Pl. 3工作在高阻状态，用作AD转换输入端。输出电压调节元件Wl 连接在AD转换器的输入端Pl. 3。输出电压调节元件Wl是用于调节输出电压的电位器，可以产生0 5V的直流电压，通过AD转换成00 IFF的十六进制码作为调压基准。输出采样单元中采用电压传感器对输出电压进行采样，电压传感器将0 250V交流电压变换为 0 5V的直流电压。电压传感器的输出端连接到控制单元的输入端DV，再通过RC滤波电路滤除高频干扰后，连接到AD转换器的输入端Pl. 2，将采样电压送入微处理器做平均值计算，并与电压调节元件Wl设定的输出电压做运算，得到占空比D的值。本实施例利用单片机的定时器和PCA模块构成4路可调占空比PWM输出单元，微处理器通过程序控制PWM输出单元的4路PWM输出。单片机的PCA模块含有一个特殊的16位定时计数器，有4个16位的捕获/比较模块与之相连。16位PCA定时计数器的计数值就是寄存器CH和CL的内容。每个模块可编程工作在4种模式下上升/下降沿捕获、软件定时器、高速输出或可调制脉冲输出。当 PCA定时计数器溢出时，如果微处理器的CMOD寄存器设置为允许中断状态，就可以产生定时计数中断。所有PCA模块共用一个中断向量。[0040]PCA的每个模块都对应一个特殊功能寄存器.它们分别是模块0对应CCAPM0，模块1对应CCAPM1，模块2对应CCAPM2，模块3对应CCAPM3。特殊功能寄存器包含了相应模块的工作模式控制位。PCA定时计数器是4个模块的公共时间基准，可通过编程工作在1/12振荡频率、 1/2振荡频率、定时器0溢出或ECI脚的输入(P3. 4)。定时器的计数源由CMOD寄存器确定。 设置PCAO和PCAl工作在上升/下降沿模式下，来检测电压、电流的过零点信号。所有PCA模块都可以作PWM输出，要使能PWM模式，模块CCAPMn寄存器的PWMn和 ECOMn位必须置位，其输出频率取决于PCA定时器的时钟源。由于所有模块共用仅有的PCA定时器，所以它们的输出频率相同。各个模块的输出占空比是独立变化的，与使用的捕获寄存器EPCnL和CCAPnL有关。当CL寄存器的值小于 EPCnL和CCAPnL时，输出为低，当PCA的CL寄存器的值等于或大于EPCnL和CCAPnL时，输出为高。当CL的值由FF变为00溢出时，捕获寄存器EPCnH和CCAPnH的内容装载到EPCnL 和CCAPnL中，从而实现无干扰地更新PWM。由于PWM是8位的，所以当 EPCnL = 0 及 CCAI^nL = OOH 时，PWM 固定输出高；当 EPCnL = 1 及 CCAI^nL = OFFH 时，PWM 固定输出低。单片机外接时钟为11. 0592M晶振，PCA定时器工作在1/2震荡频率，有上式可得 PWM的频率为fPWM = 21. 6KHz，设置PCAO和PCAl模块工作在可调制脉宽输出模式PCAO连接到微处理器ICl的输出端P3. 7，通过控制单元40的PWMl输出端连接到驱动单元，控制第一开关器件Sl ；PCAl连接到微处理器ICl的输出端P3. 5，通过控制单元 40的PWM2输出端连接到驱动单元，控制第二开关器件S2。当PCA工作在上升/下降沿触发捕捉模式，模块对外部输入的跳变进行采样。当采样到有效跳变的时候，PCA硬件就将PCA定时计数器寄存器CH和CL的值装载到模块的捕获寄存器CCAPnL和CCAPnH中。PCA2和PCA3设置为上升/下降沿捕捉工作模式，结合硬件电路设计在PCA中断中实现电压、电流检测。电压、电流过零检测电路通过比较器对输出电压过零点进行检测，把模拟量转换成数字量，送单片机中断INTO和INT1，通过软件程序控制开关器件的开关状态。输出采样单元包括电压过零检测电路，电压过零检测电路如图5所示，在本实施例中，采用LM311电压比较器完成电压过零检测。输出电压通过降压变压器后得到50HZ的交流信号ZC，在本实施例中，降压变压器为220:12V，变压器输出电压ZC经过由R17和C12 组成低通滤波器送到电压比较器U3的正输入端。-15V经过R18、R20分压得到比较器的基准电压，来调节由RC低通滤波器产生的微小的相位偏移。U3的3脚约等于0，R21、C30为输出RC低通滤波器R22为上拉电阻。其波形如图6所示。其中ZC为降压变压器副边波形，INT为经电压比较器后的波形。由图可知，在输出电压由正到负过零点时，INT正好在下降沿，输出电压由负到正过零点时，INT正好在上升沿。INT输出端连接到送到控制单元的INTO输入端(单片机P2.0引脚)，单片机利用PCA2的上升/下降沿捕获判断输出电压的相位。电流采样单元包括电流采样电路和电流过零检测电路，如图7所示，在本实施例中，输入采样单元使用精密电流互感器作为电流采样元件，电流互感器初级串联在所述开关换流单元的输入端，输入电流Ii经过电流互感器初级，电流互感器的次级会产生一个与相应的输出电流12，输出电流12通过采样电阻RS变为电压信号，经运算放大器U2放大得到取样电压VI1，送入过零检测电路ZIC输入端。过零检测电路ZIC与电压过零检测电路原理相同，其波形如图8所示。由图可知，当电流由负到正过零点时INTl正好在下降沿，当电流正到负过零点时，INTl正好在上升沿。电流过零检测电路ZIC的输出端INTl连接到到控制单元的INTl输入端(单片机P2. 4引脚)，单片机利用PCA3的上升/下降沿捕获判断电流的相位。用于续流的开关器件S3和S4的驱动PWM由定时器中断来实现，其定时波形图如图9所示。要产生PWM的周期的时间由定时器Tl来控制，占空比的大小由TO来控制。根据产生PWM的周期和单片机的时钟来确定Tl定时器的初始值M1，定时器工作在1时钟周期 16位定时器工作模式下则有Ml = 216_f。sc*T由 T = 1/fpwm = 46. 296us,fosc = 11. 0592，Ml = FE00H,即定时器 Tl 的初始值为 THl = OFEH, TLl = 00H。根据要输出PWM占空比的大小来确定定时器TO的THO和TLO的初始值。设输出 PWM占空比为D，定时器TO的初始值为MO则有MO = 216_f。sc*T*D定时器Tl溢出中断中使输出PWM的I/O 口置1，并启动定时器TO。定时器TO溢出中断使输出PWM的I/O 口清0，并关闭定时器TO。微处理器ICl的I/O 口 Pl. 0用作PWM3的输出端连接到驱动单元，控制第三开关器件S3 ；微处理器ICl的I/O 口 P3. 4用作PWM4的输出端连接到驱动单元，控制第四开关器件S4。本实施例采用顶2110集成IGBT栅极驱动器构成驱动电路，IR2110是一种双通道高压、高速电压型功率开关器件，具有自举浮动电源的高压侧悬浮驱动电路。图10所示的电原理图展示了驱动单元中的第三开关器件S3的驱动电路，驱动单元包含4路驱动电路， 其他3路驱动电路完全相同。在本实施例中，利用光耦元件和高压侧悬浮驱动电路实现两级隔离，高速光耦U5把单片机驱动信号PWM3与驱动电路U4隔离，充分保证微处理器程序控制系统的可靠性。C50为自举电容、拟6为自举二极管，ClOl为滤波电容。在S3关断期间 C50充电到足够的电压(VCC)，当HIN、LIN为高电平时，C50上的电压VC50通过U4的VB和 HO输出端之间的内部电路连接，C50通过U4的VB和HO端，似8和S3的栅极和源极形成回路放电。此时C50就相当于一个电压源加到IGBTl的栅极和源极之间，从而使S3导通。当 HIN、LIN为低电平时，VB和HO输出端之间连接关断，HO和VS输出端之间导通，S3关断，LO 输出低电平使Q3关断，Q4导通。在此同时VCC经自举二极管，C50和Q4形成回路，对C50 进行充电，迅速为C50补充能量，如此循环反复。本技术领域中的普通技术人员应当认识到，以上的实施例仅是用来说明本实用新型的技术方案，而并非用作为对本实用新型的限定，任何基于本实用新型的实质精神对以上所述实施例所作的变化、变型，都将落在本实用新型的权利要求的保护范围内。