摘要：介紹了一種可以多功能寬范圍輸出的開關(guān)電源。詳述了電源的基本電路結(jié)構(gòu)和控制策略，介紹了電路多功能的實(shí)現(xiàn)，分析了電路中可能存在的問(wèn)題并給出了解決方案。最后通過(guò)試驗(yàn)驗(yàn)證了此設(shè)計(jì)。關(guān)鍵詞：多功能輸出；直流電源；逆變器

Design of a Multifunctional Power Supply

MA Jie, LU? Zheng-yu 

Abstract:A special design of wide? range outputting and multifunctional power supply is presented. The topology of the circuit and its control strategy are described in detail. The implementation of the circuit multifunction is introduced. The problems existing in conventional circuits are analyzed and some solutions are given to solve these problems. At last the design is verified by experiment.

  Keywords:Multifunctional output; DC power supply; Inverter 

1  引言

    近年來(lái)，隨著電力電子技術(shù)的不斷發(fā)展，高頻開關(guān)電源以其高效率、高性能、低重量、小體積，在以往使用線性電源的場(chǎng)合中也獲得日益廣泛的應(yīng)用[1]。在一些工業(yè)場(chǎng)合（例如，在電力系統(tǒng)繼電器檢測(cè)中）需要提供交流、直流電壓源和電流源，而且要求調(diào)節(jié)范圍廣，紋波低。如果采用多臺(tái)功能單一電源設(shè)備，體積和重量都會(huì)增加很多，不經(jīng)濟(jì)，也不能滿足工作的要求。因此研究開發(fā)多功能、寬范圍可調(diào)節(jié)的開關(guān)電源很有意義。

    本電源系統(tǒng)采用開關(guān)電源技術(shù)和數(shù)字控制方案，可以作交流電壓源、直流電壓源、交流電流源和直流電流源，作為電壓源輸出調(diào)節(jié)范圍為1～250V，作為電流源調(diào)節(jié)范圍為1～30A，工作頻率在0～400Hz。輸出可選擇。

2  主電路結(jié)構(gòu)

    電源主電路如圖1所示，分上下兩部分，上部分為電壓源部分，下部分為電流源部分，每部分采用兩級(jí)結(jié)構(gòu)，交流輸入整流濾波后，先經(jīng)過(guò)DC/DC變換，再通過(guò)逆變器輸出。其中DC/DC采用半橋電路用來(lái)提供穩(wěn)定的直流母線電壓，并隔離輸入級(jí)和輸出級(jí)。逆變部分采用了常規(guī)全橋逆變電路，適合于較大功率的應(yīng)用場(chǎng)合。輸出采用兩級(jí)LC濾波器濾除高頻紋波。Lc1、Lc2、Lc3是共模抑制器。電壓源前后級(jí)的高頻開關(guān)動(dòng)作很容易引起兩級(jí)間的互相干擾，在母線電壓比較高的時(shí)候尤其明顯。因此在兩級(jí)之間串接共模抑制器Lc1，用來(lái)隔離其相互間干擾。Lc2,Lc3接在輸出端和負(fù)載之間的，作用和Lc1類似，用于抑制高頻共模分量通過(guò)負(fù)載。所不同的是電壓源前級(jí)DC/DC采用全橋整流，電流源采用全波整流。

圖 1  前 級(jí) DC隔 離 電 源 與 逆 變 電 源

3  控制原理與結(jié)構(gòu)

    對(duì)于DC/DC級(jí)的控制，本文采用SG3525控制芯片，簡(jiǎn)單可靠，成本低。

    后級(jí)逆變器采用了雙極性SPWM控制，如圖2所示。通過(guò)高頻三角波和基準(zhǔn)正弦波的比較得到控制開關(guān)管的PWM波形。正弦基準(zhǔn)信號(hào)的頻率與輸出正弦波相同，其幅度的變化可以調(diào)制開關(guān)的占空比D。幅度調(diào)制比ma定義為[2]

     ma=Vsm/Vcm   （1）

圖2  三 角 波 與 逆 變 器 開 關(guān) 控 制 波 形

式中：Vsm是正弦基準(zhǔn)信號(hào)峰值；

      Vcm是三角波的峰值。

    逆變輸出正弦電壓峰值Vom和直流母線電壓Vd的關(guān)系為

    Vom=ma×Vd，ma≤1（2）  [!--empirenews.page--]

    圖3是具體控制原理。為消除輸出諧波，電路采用了電壓、電流雙環(huán)控制，其中，Vf為反饋電壓，If為反饋電流。電壓調(diào)節(jié)環(huán)的輸出作為電流環(huán)的比較基準(zhǔn)，電流環(huán)輸出誤差信號(hào)與三角波信號(hào)比較得到SPWM信號(hào)。由IR2110芯片構(gòu)成驅(qū)動(dòng)電路,由此輸出相位互補(bǔ)的兩路SPWM信號(hào)分別驅(qū)動(dòng)四個(gè)開關(guān)管。為防止上下橋臂直通，兩路SPWM信號(hào)之間必須設(shè)置死區(qū)。保護(hù)電路起到監(jiān)控Vf、If的作用，如果幅值超出閾值，保護(hù)電路將關(guān)閉驅(qū)動(dòng)信號(hào)。

圖3  逆 變 級(jí) 控 制 電 路

4  多功能輸出的實(shí)現(xiàn)

    在此電源系統(tǒng)中，電壓源和電流源的控制采用同一控制電路，通過(guò)繼電器切換到不同的工作模式。電壓源工作時(shí)，繼電器K1合，K2開（如圖3所示），采用電壓、電流雙環(huán)調(diào)節(jié)控制，基準(zhǔn)信號(hào)為正弦信號(hào)，輸出交流電壓；基準(zhǔn)為直流電平，輸出直流電壓。電流源工作時(shí)，K1開，K2合，電壓調(diào)節(jié)環(huán)變?yōu)楦S器，只通過(guò)電流環(huán)調(diào)節(jié)，基準(zhǔn)為正弦信號(hào)，輸出交流電流；基準(zhǔn)為直流電平，輸出直流電流。電壓源和電流源驅(qū)動(dòng)信號(hào)切換是通過(guò)K3來(lái)實(shí)現(xiàn)的，在電壓源工作方式，關(guān)斷電流源的前級(jí)；在電流源工作方式，關(guān)斷電壓源的前級(jí)，這樣可以防止干擾，提高電路的可靠程度。以上的K1、K2、K3是由數(shù)控電路給出的。

5  占空比限制與輸出交流電壓的削頂

5．1  PI調(diào)節(jié)器輸出限幅的考慮

    由于所采用的專用驅(qū)動(dòng)芯片IR2110是通過(guò)自舉供電方式來(lái)驅(qū)動(dòng)橋臂上管的(如圖4所示)。所以，在上、下管驅(qū)動(dòng)信號(hào)恒低或恒高時(shí)，給上管供電的自舉電容C1能量得不到補(bǔ)給。當(dāng)電容上的能量放完后，上管關(guān)斷，就會(huì)出現(xiàn)此橋臂無(wú)驅(qū)動(dòng)信號(hào)，無(wú)輸出的現(xiàn)象。尤其是直流電壓時(shí)，常有這一現(xiàn)象。

圖4  逆 變 級(jí) 驅(qū) 動(dòng) 電 路

    在逆變器控制中，PI調(diào)節(jié)器輸出的幅度如果超過(guò)三角波的幅度，就會(huì)出現(xiàn)過(guò)調(diào)制的現(xiàn)象，此時(shí)，PWM驅(qū)動(dòng)脈寬會(huì)過(guò)窄或過(guò)寬，還會(huì)使上述自舉電路工作不正常。因此，必須對(duì)占空比的最大值與最小值加以限制。

    具體方法是，可以在PI調(diào)節(jié)器的輸出端作一定的限幅（見圖3），使控制電路不出現(xiàn)過(guò)調(diào)制的情況，限制PWM的最大、最小占空比，使IR2110的自舉電容C1能及時(shí)充電。采用限幅的另一個(gè)好處是消除了由于IR2110自舉失敗導(dǎo)致的電路損壞，提高了可靠性。

5．2  輸出電壓不正常削頂?shù)南?/p>

    逆變器控制電路的限幅會(huì)使輸出波形削頂。但在交流輸出未達(dá)到限幅值之前，可能首先出現(xiàn)明顯的單邊削頂（例如在正半波的峰值處）。主要原因是三角波不對(duì)稱，存在直流偏置，在與PI調(diào)節(jié)輸出比較時(shí)，出現(xiàn)一邊被限幅，造成輸出單邊削頂現(xiàn)象。提高母線電壓，使實(shí)際需求的占空比變化范圍縮小，可以消除輸出削頂現(xiàn)象。

    但是，隨最大占空比的下降，調(diào)制比下降更快。這會(huì)降低母線電壓的利用率，導(dǎo)致逆變級(jí)的容量擴(kuò)大。本文的電路用低偏壓、低噪聲精密運(yùn)算放大器來(lái)產(chǎn)生三角波，同時(shí)采用糾偏方法消除直流偏置、確保三角波的對(duì)稱性，提高了母線電壓的利用率。

    為確保電路正常工作，同時(shí)輸出波形不削頂，在此電路中設(shè)定最大占空比為0.85，相應(yīng)的最大調(diào)制比為0.7。  [!--empirenews.page--]

6  電流源母線電容的選取

    母線的電容值可以根據(jù)式（3）計(jì)算

       C=  （3）

式中：C是母線輸出電容；

      Vs是前級(jí)整流輸入電壓；

      D是其中一管導(dǎo)通的占空比；

      L是母線濾波電感

      n是原副邊繞組的匝比；

         ΔVc是輸出紋波電壓；

      f為前級(jí)工作頻率。

    但是逆變器輸入電流并不是真正的直流電流，除直流成分外，還含有雙倍于輸出頻率的交流分量和高頻分量。對(duì)電流源在輸出電流為最大時(shí)，這些高頻分量會(huì)很大，需要母線提供很大的高頻紋波電流，所以在盡量加大電解電容的同時(shí)，應(yīng)多采用高頻性能優(yōu)越的電容。不僅可以滿足后級(jí)高頻紋波電流的要求，同時(shí)也可以減小后級(jí)高頻分量對(duì)前級(jí)的影響。

7  電路實(shí)驗(yàn)波形

    圖5是電壓源滿載下輸出200V交流有效值時(shí)的波形，波形THD<2％。圖6是電流源滿載下輸出30A交流有效值時(shí)的波形，波形THD<1％。

電 壓 ：100 V/格 ； 時(shí) 間 ：10 ms/格

圖5  電 壓 源200 V交 流 有 效 值 輸 出 波 形

電 流 ：50 A/格 ； 時(shí) 間 ：4 ms/格

圖6  電 流 源30 A交 流 有 效 值 輸 出 波 形

8  結(jié)語(yǔ)

    本文電壓源和電流源兩部分的逆變級(jí)控制共用同一控制電路，通過(guò)信號(hào)切換選擇電壓源或者電流源輸出。每一部分采用前級(jí)DC/DC隔離電源與橋式逆變電路相結(jié)合，改變基準(zhǔn)信號(hào)可以使逆變器選擇輸出交流或直流。通過(guò)嚴(yán)格控制三角波的對(duì)稱性與合理確定調(diào)制比，能確保電路的正常工作和提高母線電壓的利用率。最后通過(guò)一臺(tái)試驗(yàn)樣機(jī)驗(yàn)證了以上的設(shè)計(jì)。