系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與控制原理

升壓+全橋逆變器和輸出LC濾波器是大功率程控交流電源極為常用的拓撲之一,。如圖1所示，這是一種兩級非隔離拓撲,，其第一級是升壓級,，用于把模塊整流電壓升壓到實際峰值直流電壓（＞325V）；第二級是逆變級,，用于把峰值直流電壓轉(zhuǎn)變?yōu)榻涣麟妷?，再?jīng)LC濾波器得到50Hz的交流輸出電壓,。全橋逆變器一般采用單極性控制方式，其特點是高頻臂的兩只功率管以較高的開關(guān)頻率互補開關(guān),，保證可以得到理想的正弦輸出電壓波形,；另兩只功率管以較低的輸出電壓基波頻率工作，從而很大程度上減小了開關(guān)損耗,。該全橋逆變器并不是一個橋臂始終為低頻(輸出基頻),，另一個橋臂始終為高頻（載波頻率)，而是以半個輸出電壓周期切換工作,，即同一個橋臂前半個周期工作在低頻,，后半周則工作在高頻，這樣就保證兩個橋臂功率管工作在均衡狀態(tài),，提高了系統(tǒng)的可靠性,。雖然該電路效率較高，但需要解決輸入/輸出之間的隔離問題,。由于電纜測試儀的程控交流電源功率較小,，若采用上述方案，則體積較大,，且控制復(fù)雜,。

若采用諸如LM1875單片集成功率放大器件，用±30V供電時,，最大輸出功率可達30W,。其接法同TDA2030相似，有單雙電源接法和BTL接法,。BTL接法采用兩片LM1875,，連接成橋式電路，兩邊的電路結(jié)構(gòu)和參數(shù)完全相同,，右邊的集成電路由左邊的集成電路通過一負反饋電阻控制,，反之亦然。它可獲得更高的輸出功率,。如圖2所示,，二極管1N4007用于防止輸出感性負載產(chǎn)生過電壓而損壞器件。電路的放大倍數(shù)可由輸出端至反相輸入端的反饋電阻來決定,。A類,、B類、AB類等功放均是線性功放,，信號總是停留在放大區(qū),，輸出晶體管擔當線性調(diào)整器來調(diào)整輸出電壓，其結(jié)果是降低了效率,，限制了輸出功率,。

本設(shè)計采用D類音頻放大器構(gòu)成程控交流電源,，只需對音頻放大器的輸入幅度控制就可以得到高純度正弦交流電壓。圖3給出了所研制的程控交流電源系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖,，并且給出了每級的波形。其主電路由D類音頻放大器+半橋和LC濾波器組成,。

值得注意的是,，半橋D類音頻放大器因為能量可以雙向流動而導(dǎo)致“母線電壓提升”，這樣會造成母線電容被充電,。在半橋拓撲中,，電源面臨從功放返回來的能量而導(dǎo)致嚴重的母線電壓波動或損壞，尤其是當功放輸出低頻信號到負載時,。D類放大器區(qū)別于同步降壓轉(zhuǎn)換器的是,，其參考信號是一個不斷變化的音頻信號，占空比圍繞50%不斷變化,，電感電流雙向,，兩個MOSFET作用相同。

　　主回路設(shè)計
采用國際整流器公司(IR)D類音頻放大器的IRS2092,，將誤差放大器,、PWM比較器、柵極驅(qū)動級電路和過載保護功能結(jié)合到一起,，與IRS20955相比較具有很大的設(shè)計靈活性,。用±100V供電時，最大輸出功率可達500W,，工作頻率高達800kHz,。如圖4所示，它包括一個脈寬調(diào)制器,、兩個輸出MOSFET和一個用于恢復(fù)被放大的音頻信號的低通濾波器,。由于輸出500V正弦波有效值，輸出端有一個低頻升壓變壓器,。音頻輸入信號與內(nèi)部振蕩器產(chǎn)生的三角波進行比較后,，得到PWM信號，方波的占空比與輸入信號電平成正比,。沒有輸入信號時,，輸出波形的占空比為50%。圖5顯示了不同輸入信號電平下所產(chǎn)生的PWM輸出波形,。

　　使用D類音頻放大器IRS2092的BTL接法,，一個全橋使用兩個半橋輸出級，并以差分方式驅(qū)動負載,。全橋結(jié)構(gòu)是通過轉(zhuǎn)換負載的導(dǎo)通路徑來工作的,，因此負載電流可以雙向流動,，無須負電源或隔直電容。在相同電源電壓下,，理論上提供的最大輸出功率是半橋式放大器的4倍,。它可以推廣應(yīng)用到更高輸出功率的AC/AC轉(zhuǎn)換電源。

　　關(guān)鍵技術(shù)設(shè)計

　　程控交流電源要求0～5V程控直流電平輸入對應(yīng)AC0～500V（有效值）輸出,。通過改變D類音頻放大器的正弦波輸入的幅度即可實現(xiàn)最大500V正弦波對應(yīng)輸出,。但是，首先需要解決0～5V程控直流電平如何轉(zhuǎn)換成D類音頻放大器的正弦波輸入的問題,。

CD4051是8通道數(shù)字控制模擬開關(guān),，有三個二進制控制輸入端A、B,、C和INH輸入,，相當于一個單刀八擲開關(guān)，開關(guān)接通哪一通道,，由輸入的3位地址碼A,、B、C來決定,。INH是禁止端,，當INH=1時，各通道均不接通,。此外,，CD4051還設(shè)有一個電源端VEE，以作為電平位移時使用,，從而使得在單電源供電條件下CMOS電路所提供的數(shù)字信號能直接控制這種多路開關(guān),，并使這種多路開關(guān)可傳輸峰峰值達15V的交流信號。例如,，若模擬開關(guān)的供電電源VDD=+5V,，VSS=0V，當VEE=-5V時,，只要對此模擬開關(guān)施加0～5V的數(shù)字控制信號,，就可控制幅度范圍為-5V～+5V的模擬信號。

設(shè)計時,，首先要考慮到如何產(chǎn)生固定幅度的正弦波基準信號以作為CD4051的模擬量輸入,。產(chǎn)生正弦波基準信號的方案有多種，可由文氏振蕩器獲得良好的正弦波形,，也可先由比較器輸出的方波經(jīng)積分器得到三角波,，再由差分放大器或采用低通濾波器的方法，實現(xiàn)三角波到正弦波的變換。

　　其次是高精度的正弦波基準信號的程控,，最簡單方法是使用微處理器進行12通道的A/D轉(zhuǎn)換,，用這12通道去控制CD4051的輸入端A、B,、C（INH=0時）,，即產(chǎn)生212=4096個狀態(tài)。如圖6所示,，開關(guān)D1～D3控制模擬量低位,，D4控制高位。通過合理計算R1a～R9d,，0～4096個狀態(tài)對應(yīng)0～5V程控直流電平輸入。需要注意的是,，第4096狀態(tài)產(chǎn)生的條件是12通道都為0時而第4個CD4051的INH=1時,，它輸出正弦波模擬量最大值。

　　實驗結(jié)果

　　采用上述主電路結(jié)構(gòu)和控制方式研制了一臺0～5V直流電平輸入對應(yīng)0～500V（有效值）AC輸出的程控電源樣機,，固定頻率50Hz,，輸出電流5mA，線性度≤1%,，響應(yīng)時間≤50ms,，輸出過流保護。5V程控正弦電壓輸出波形如圖7所示,，較好地滿足了電纜測試儀程控電源的要求,。