引言
隨著電力電子技術(shù)及器件的發(fā)展,;特別是功率MOSFET,、IGBT、MCT,、IPM以及單片集成脈寬調(diào)制功率放大器等新型器件的出現(xiàn),;使電壓型SPWM逆變器得到廣泛的關(guān)注、開發(fā)和應(yīng)用,。
傳統(tǒng)中頻電源一般包括兩個(gè)環(huán)節(jié):即前級(jí)穩(wěn)壓,;后級(jí)中頻逆變;基本采用分立元器件,。雖無傳統(tǒng)的旋轉(zhuǎn)部件,;但體積仍然較大;效率較低,;結(jié)構(gòu)復(fù)雜,;調(diào)試麻煩;不可靠因素較多,;直接影響了電源及設(shè)備的可靠性,。各種新型艦載電子設(shè)備對(duì)中頻電源的體積重量和性能指標(biāo)提出了更為嚴(yán)格的要求;而傳統(tǒng)中頻電源已無法滿足;解決的途徑只能是尋求更為先進(jìn)的變頻技術(shù),。
正弦脈寬調(diào)制SPWM(SinePulseWidthModulation)技術(shù)利用功率器件的導(dǎo)通與關(guān)斷,;把直流電壓變成幅度相等而寬度按正弦規(guī)律變化的電壓脈沖序列;并通過控制脈沖的寬度和和脈沖序列的周期以達(dá)到變壓變頻目的,。采用SPWM技術(shù)的電源主要優(yōu)點(diǎn)有:效率高,、體積小、噪聲小,、失真度小,、響應(yīng)快。
工作原理
早期SPWM中頻電源多采用分立器件構(gòu)成,;系統(tǒng)中的振蕩器,、比較器、死區(qū)發(fā)生器,、驅(qū)動(dòng)等需要十分謹(jǐn)慎的調(diào)節(jié),;且可靠性不高;現(xiàn)在這種方案已很少采用,;后來出現(xiàn)了單片集成SPWM控制器,;如HEF4752V等;將振蕩器,、比較器,、運(yùn)放等集成于單片IC內(nèi)部;大大簡(jiǎn)化了系統(tǒng)設(shè)計(jì),;系統(tǒng)可靠性也大為提高,;隨著高速單片機(jī)和低價(jià)位DSP控制器的出現(xiàn);數(shù)字化中頻電源開始廣泛使用,;與此同時(shí)還出現(xiàn)了可編程數(shù)字化SPWM發(fā)生器,,如SA838等;進(jìn)一步簡(jiǎn)化了系統(tǒng)設(shè)計(jì),;提高了系統(tǒng)可靠性。但是所有這些控制方案在構(gòu)成一個(gè)完整的電源系統(tǒng)時(shí)都需要至少三路隔離電源,;電源體積很難進(jìn)一步減小,。
美國(guó)APEX公司結(jié)合電力電子技術(shù)和功率放大器技術(shù)設(shè)計(jì)生產(chǎn)了脈寬調(diào)制功率放大器;該系列放大器將振蕩器,、PWM發(fā)生器,、死區(qū)發(fā)生器、自舉驅(qū)動(dòng)器,、IGBT和續(xù)流二級(jí)管,、過流/過熱保護(hù)等功能部件全部集成一體;使其成為一個(gè)完整的PWM功率放大器;使用者只需按要求提供所需的模擬調(diào)制信號(hào),;經(jīng)放大器后將輸出基波為調(diào)制信號(hào)的高頻高壓SPWM信號(hào)序列,;再經(jīng)高頻濾波后就可得到幅度和功率均放大的調(diào)制信號(hào)。若將放大器和濾波視為一個(gè)整體,;其功能就等同于傳統(tǒng)線性功率放大器,;但其效率卻高得多。
PWM功率放大器代表型號(hào)SA08典型參數(shù):
功率輸入電壓16~500VDC,;單相全橋輸出,;最大輸出電流20A;最大傳遞功率10KW,;內(nèi)部振蕩及控制電路實(shí)現(xiàn)22.5kHz的開關(guān)頻率,;模塊效率高達(dá)98%;具有內(nèi)部過流和過熱保護(hù),;同時(shí)提供用戶外部限流設(shè)置和關(guān)斷功能,;MO-127封裝;工作溫度范圍-55~125℃,。
SA08外觀和引腳分布圖見圖1,;內(nèi)部功能圖見圖2。
由于將振蕩電路,、控制電路,、驅(qū)動(dòng)電路和功率器件全部集成于模塊內(nèi)部;SA08的可靠性大為提高,;且接口非常簡(jiǎn)潔,。樣機(jī)電源以SA08為核心;由整流電路,、輔助電源,、中頻信號(hào)發(fā)生器、反饋控制電路和輸入輸出濾波電路等部分構(gòu)成,。原理圖見圖3,。
圖3系統(tǒng)原理圖
單相220VAC電壓一路經(jīng)整流橋整流濾波后作為SA08的功率電源;另一路經(jīng)AC/DC轉(zhuǎn)換,、共模抑制后作為控制電路和SA08輔助電源,;信號(hào)發(fā)生器產(chǎn)生頻率400Hz;幅度可調(diào)的正弦信號(hào),;信號(hào)發(fā)生器通過優(yōu)化電路設(shè)計(jì)和選用低溫漂元件實(shí)現(xiàn)輸出頻率的穩(wěn)定,;控制電路對(duì)輸入指令信號(hào)進(jìn)行偏置、放大,、PID及濾波處理,、輸出限幅等;最后作為SA08輸入信號(hào)控制其功率輸出。過壓保護(hù)和過流保護(hù)也通過控制電路實(shí)現(xiàn),;SA08輸出的高頻高壓SPWM波經(jīng)LC濾波器后供給負(fù)載,;反饋電路直接從負(fù)載上進(jìn)行電壓電流取樣;確??刂频木?。
關(guān)鍵技術(shù)的解決
窄脈沖含有豐富的頻譜;且其頻譜與其脈沖寬度大體上成反比關(guān)系:脈沖越窄,;其頻譜越豐富,。對(duì)于一個(gè)幅度達(dá)280V、頻率為22.5KHz的SPWM脈沖序列,;它對(duì)其周邊電路的干擾是非常嚴(yán)重的,。同時(shí);功率器件的高速開關(guān)而產(chǎn)生的巨大電壓變化率du/dT和電流變化率di/dT將通過雜散電容和引線電感對(duì)供電電源和控制電路產(chǎn)生難以估計(jì)的影響,。因此,;如何實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)內(nèi)部強(qiáng)弱電之間的電磁兼容便成為關(guān)鍵技術(shù)。
電磁兼容從實(shí)施途徑來講主要有接地,、屏蔽和濾波三種方法,。在理論分析的基礎(chǔ)上;通過大量實(shí)驗(yàn),;找出了系統(tǒng)中的敏感回路,、敏感元件和敏感點(diǎn);并針對(duì)性的采取濾波,、嚴(yán)格接地,、合理布局與布線等措施。
首先,;在整體布局上按照強(qiáng)弱電分離的原則,;將信號(hào)發(fā)生器、控制和保護(hù)回路等與功率電路分開布局,;其次,;按照信號(hào)流和功率流進(jìn)行局部布局和布線;使其流暢無交疊,;輸入輸出分離,;同時(shí);布線嚴(yán)格遵循環(huán)路最小原則,;第三,;將發(fā)熱器件貼近機(jī)殼布置,;對(duì)溫漂有嚴(yán)格要求的元器件遠(yuǎn)離發(fā)熱器件,;第四;電源充分解耦。高頻SPWM波由于含有豐富的高頻諧波成份,;所以功率電路和弱電電路需要嚴(yán)格的高頻解耦,;第五;嚴(yán)格接地,。功率地和弱電地分離布線,;嚴(yán)格消除大的接地環(huán)路;同時(shí)保證功率地接地阻抗的連續(xù)性,。
試驗(yàn)結(jié)果
對(duì)一臺(tái)中頻電源樣機(jī)進(jìn)行系統(tǒng)的試驗(yàn),;樣機(jī)達(dá)到了如下主要性能指標(biāo):
考慮到以下的一些因素:注意AP擺放的物理位置、AP的控制和管理,、用戶身份驗(yàn)證和計(jì)費(fèi)管理,、簡(jiǎn)化網(wǎng)絡(luò)安全管理、不能讓非專業(yè)人員構(gòu)建無線網(wǎng)絡(luò),。
(1)電網(wǎng)調(diào)整率:輸入187~242VAC,輸出115V±3%
(2)負(fù)載調(diào)整率:輸入220VAC,負(fù)載0A~1A,輸出115V±3%
(3)輸出頻率400Hz±0.5%,波形失真度≤2%
(4)具有過流保護(hù),、過壓保護(hù)和過熱保護(hù)等功能
(5)體積:160×97×45(mm3)
結(jié)論
采用新型功率器件和控制技術(shù),實(shí)現(xiàn)了中頻電源小型化和高性能的技術(shù)要求,。樣機(jī)體積縮小為同等電氣指標(biāo)的傳統(tǒng)中頻電源的五分之一,,元件數(shù)量減少為原來的二分之一。該新型中頻電源體積小,、重量輕,、噪聲小、響應(yīng)快,、失真度小,、可靠性高,具有較強(qiáng)的實(shí)用價(jià)值。<