SCOTT变压器在船用直流UPS电源中的应用

闻琦 龚亚樵

（1. 海军92730部队，海南572016；2. 海军装备部，北京100841）

0 引言

直流UPS电源由于其体积小、噪声低、性能稳定、易于维修等优点，已在许多领域获得广泛应用，在舰船装备中也占有越来越重要的地位。直流UPS装置为舰船的动力、前后电站、通讯等系统提供直流连续电源，其性能好坏直接关系到这些系统、设备能否正常工作。

传统的船用直流 UPS系统采用相控整流技术，其设备存在体积大、输出噪声电压峰-峰值大、转换效率低、动态响应慢、交流输入电流畸变率高等缺点。随着船用电源系统的电磁兼容性要求越来越严格，对直流UPS电源的输入电流波形畸变率也要求越来越严格。新一代高性能整流器具有输入电流为正弦波、谐波含量低、功率因数高等特点，即具有功率因数校正功能。近年来功率因数校正电路得到了很大的发展，成为电力电子学研究的重要方向之一。单相功率因数校正技术有商品化的控制芯片可利用。对于三相功率因数校正，由于开关管数目的增加，控制复杂，当前仍在不断研究之中[1-3]。一般的民用产品多是采用三个单相功率因数校正电路来实现三相功率因数校正，舰船上采用三相三线制供电系统，而单相功率因数校正的控制芯片都是适用在单相220 V内的，输入电压为380 V的单相功率因数校正电路以及 DC/DC电路的设计和元器件的选型都有很大的困难。本文通过采用 Scott变压器将三相380 V输入转变为两相220 V作为单相功率因数校正电路的输入，就可以利用成熟的单相功率因数校正技术，而且由于 Scott变压器的隔离作用也提高了直流电源的可靠性。

1 设计方案

本系统的原理框图如图 1所示。通过 Scott变压器把三相三线制的380 V交流输入变换成两路220 V的单相交流电，APFC模块为单相功率因数校正模块，输出电压为直流400 V；DC-DC实现直流降压，两路输出并联后给负载供电，控制环节需要考虑均流问题。

图1 电源系统的结构框图

1.1 Scott变换的原理

图2 Scott变压器的接线图和相量图

Scott变压器接线图[4]如图2（a），设三相输入电压的相电压分别为VA、VB、VC，两个次级绕组电压分别为 V1和 V2，且则有向量图如图2（b）所示：

1.2 APFC环节

功率因数校正环节采用高性能的集成控制芯片IR1150，是一种采用单周期控制专利技术的CCM-PFC控制器，它无需传统PFC电路所需要的模拟乘法器、输入电压采样及固定三角波振荡器，在提供同样高系统性能的前提下，可使外部元件数量、PCB面积和设计时间几乎缩减50%[5]。

APFC的目的是使输入电流 ig的低频波形（50 Hz）跟随全波整流后的输入电压波形 ug，同时又要保持输出电压恒定为VO。若控制电路的控制策略满足了输入电流与输入电压成比例，整个变换器可以等效为一个电阻Re，则有

式中：Rs为变换器等效电阻。

对于Boost变换器则有

式中：RS为输入电流检测电阻； D为开关管驱动波形占空比。

定义 VORs/Rg= Vm为控制电压，则有

式中：T为开关周期。

根据式（6），建立单周期控制的原理框图如图（3）所示。

通过APFC环节，得到一个400 V直流电压作为 DC-DC环节的输入，并保证不控整流桥的输入电流为正弦波。

1.3 DC-DC环节

DC-DC环节采用双管正激式PWM转换器，如图4所示，其变压器初级绕组与两个开关S1、S2串联，S1、S2在PWM脉冲作用下同时导通或关断，在每个开关和初级绕组之间，各并联一个续流二极管D1、D2，使得开关S1、S2关断时，变压器的储能有一个释放通路，经过D1、D2回馈到直流输入电源。因此，双管正激式转换器不必另加磁复位措施。此外，二极管D1、D2还起钳位作用，将S1、S2承受的电压钳位到输入电压Ui。双管正激式转换器，可以应用到较高电压输入，较大功率输出的场合。每个开关管承受的最大电压为Ui，和单管正激式转换器相比，开关管承受的电压应力降低了一半[6]。

图3 单周期控制的APFC原理框图

图4 双管正激式转换器

此环节输出电压的控制采用 UC3844，UC3844是电流型PWM模式集成控制芯片，广泛用于中小功率的DC-DC开关电源，UC3844的控制原理如图5所示。

图5 UC3844控制原理框图

由外环电压调节器输出的电压误差放大信号Ue作为内环的电流参考值。i为主电路开关管的电流，电流检测信号与电流给定值Ue之间的误差，经过电流调节器放大后产生出控制信号Uc、Uc再经过 PWM 调制器产生出占空比 Du可变的开关脉冲。电流型控制，除了可以改善PWM转换器的动态特性外，还可以实现快速过电流保护，并具有自动限流的能力，并且容易实现多个DC/DC、PWM转换器的并联均流等。

2 试验结果分析

根据图1所示原理框图构建了实验样机，输入电压为三相三线制线电压380 V，样机额定功率为1.5 kW，额定输出电压为27 V，输入电压、电流波形如图7（a）所示，输出电压波形如图7（b）所示，试验结果表明：

（1）输入电流波形基本接近理想正弦波，功率因数为0.998，THD值为3%；

（2）输出直流电压波形稳定，纹波电压＜2%。

图7 输入电压电流波形和输出电压波形

3 结论

目前，在三相功率因数校正控制技术尚未取得成熟应用的情况下，针对船用三相供电系统无中线的情况，通过Scott变压器变成两路220 V，即可利用现有的单相APFC控制芯片控制每个单相，然后经过DC/DC降压使输出电压稳定在27 V，两相输出直接并联，并通过均流芯片均流。实测结果表明，以这种方法实现三相功率因数校正是一种可行、可靠且易推广的方法。

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