模块化逆变电源的设计与应用

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1 引言
　　目前,逆变技术已在国民经济的各个领域中得到了极其广泛的应用,国内外许多公司已能生产技术成熟的标准逆变电源,这些产品实现的功能较多,性能较好、可适应较复杂的负载情况,但控制方案较复杂、体积较大、价格昂贵,适于实验室、车间的集中供电。在逆变技术的进一步普及应用中,越来越多的产品、设备要求逆变电源象直流电源一样模块化,并成为该产品、设备的一部分。通常在这种场合对逆变电源要求容量较小、负载单一、并控制体积和成本,显然再采用标准逆变电源的方案就不合适了,这需要仔细考虑系统方案,简化控制,在保证性能指标的同时,减小体积,降低成本。
　　本文以某新型鱼雷定向陀螺用的模块化逆变电源为例,介绍模块化逆变电源的设计与应用情况。本例的负载为感性,输出电压有个切换过程,在要求输出电压固定的场合,去掉电压切换部分即可。
　　本模块电源为三相400Hz逆变电源,24VDC输入,要求输出电压在通电30s内为68V,此时负载电流为3A;30s后,陀螺的起动过程结束,要求输出电压无间断地切换为36V,并提供1A负载电流,稳压精度2％,输入输出隔离。模块外形尺寸不大于120mm×130mm×50mm。
　　2 系统设计
　　在模块电源的研发过程中,系统设计直接决定产品的最终性能。现采用以下方案构成SPWM型逆变器,系统框图见图1。

　　2.1 控制方案
　　模块化逆变电源的负载一般已知,其特性也不复杂,没有进行实时计算的必要,因此采用查表法是很合适的,将控制波形的SPWM数据事先计算出来,存入ROM中,这样可使控制部分得到最大程度的简化。调节直流母线电压可以进行输出电压的控制,虽然这种方式不利于三相分相控制并有一定滞后,在大容量逆变器中不常见,但在三相平衡负载场合,是完全可以满足要求的。所以,本系统实际采用了PWM、PAM两种控制方式。控制部分是系统的关键,本文将做详细介绍。
　　2.2 主电路设计
　　主电路需将24VDC输入变换为较高的、可调节的直流母线电压,选择性能优良的DC/DC模块,可缩短设计周期、提高产品可靠性。
　　DC/DC模块选用VICOR产品。该产品采用了ZCS/ZVS（零电流/电压开关）技术,突出优点是高效率、高功率密度、高可靠性、低电磁干扰;同时,可以利用其I/O隔离的特性实现系统的隔离。若使用两只24V变48V、输出150W的VICOR模块,输入并联,输出串联,可获得96V的直流母线电压。
　　（1）检验功率不计各处损耗,最大输出功率为68×3=204VA两只模块可输出功率达300W,可以满足要求。
　　（2）检验电压正常工作输出36V时,若直流利用率为0.7,调制度为最大值1,则需直流电压36/0.7=51.5V输出68V时,若直流利用率仍为0.7,调制度为最大值1,则需直流电压68/0.7=97V这是空载时所需的直流电压,当带重载时,因线路阻抗和系统输出阻抗的存在,所需的直流母线电压更高,所以必须采取措施提高直流利用率。计算SPWM数据时,可适当地过调制,并在电路中稍微加大滤波,就可达到目的。
　　逆变桥使用MOSFET构成三相逆变全桥,滤波网络中的电容采用三角形连接以加强滤波作用。
　　2.3 保护与控制电源
　　当有异常情况出现时,有两种方法切断输出,一是封锁控制数据,如选择ROM数据全为零的空页,此法方便快速;二是断开直流母线电压,此法有利于负载的安全,这里选择后者。VICOR模块的GATEIN端是其功率提升同步端,也是该模块的使能端,拉低该端电压即可关闭模块（Isink=6mA）,它以－IN端电位为基准,故检测的过流、过压信号均须以光耦与之隔离。
　　控制部分已相当简单,电源功率很小,采用线性三端稳压器即可。除简便外,还有可靠、电磁干扰小的优点。固定一只模块的输出电压以获得控制电源,而调节另一只来控制系统输出电压的幅值。
　　3 PWM波形控制
　　在ROM中的PWM数据是离线计算的,灵活性较大。采用SPWM方法之一的规则采样Ⅱ法计算数据,可比较准确地得到开关器件的导通、关断时间,其原理误差与存储数据时取整带来的误差相比可以忽略。计算程序的入口参数主要有三个：载波频率fc、调制频率fm和调制度M,其中调制度代表预期的输出幅值。输出电压切换前后的幅值相差很大,不能使用一个调制度,所以在ROM中存储两组数据（每组2k字节）,通过控制高位地址线实现电压切换。前面2.2节述及,起动阶段输出68V时,需适当的过调制,此时,SPWM就近似为梯形波比较调制,使直流利用率提高;而正常工作输出36V时,直流母线电压绰绰有余,调制度较低,谐波含量将很少。

　　规则采样Ⅱ法的原理如图2所示,在三角载波的负峰值时对正弦调制波采样,得到图中E点,采样电压为urE=MsinωCtE。E点水平线在三角波上截得A、B两点,两点间的时间就作为SPWM波在该载波周期的脉宽时间t2。由相似三角形的比例关系可得下式：
　　脉宽时间(1)
　　间隙时间(2)


       Tc为三角载波的周期。利用式（1）可以很快地计算出各个脉冲宽度,而两个脉冲之间的间隙时间为前一脉冲的t3与后一脉冲的t1之和。
　　图3是产生PWM数据的程序流程：

　　程序中,计算某相数据的子程序是三相公用的。其中一个参数是正弦调制波相位,改变这个参数可分别计算出A、B、C数据,并且可以补偿因滤波元件参数不一致而导致的三相不平衡。
　　计算完各开关点时间后,将时间转换为0、1位串的字节长度,这个过程要进行四舍五入,修正值初值为0.5。但四舍五入一般会带来数字节的误差,为了保证总的字节数成整k,需要以逐次逼近方式修改修正值。
　　此部分电路中,一555多谐振荡器产生819.2kHz时钟,经12位计数器进行地址变换,使存储于ROM中的PWM数据周期性地输出,再由专用驱动芯片IR2110驱动MOSFET三相全桥进行逆变。
　　4 输出电压控制
　　介绍这部分前,需先对VICOR模块的调压原理进行了解,参见图4。

　　VICOR模块的电压调节端TRIM同时也是模块内部误差放大器的电压给定端,经一个10kΩ电阻与2.5V基准串联,此端悬空时,误差放大器的给定电压为2.5V,模块输出额定电压。由TRIM端外接电阻到－OUT端与10kΩ电阻对2.5V分压,使误差放大器的给定电压降低,模块的输出电压即被按比例地调低;由＋OUT端外接电阻到TRIM端与10kΩ电阻对输出电压分压,输出电压亦被按比例地调高。模块的输出电压调节范围是额定值的5％到110％。值得注意的是,若TRIM端电压过高,将导致模块的过压保护动作。
　　使模块的电压调节端TRIM随着系统输出电压有效值的变化而反向变化,即可构成负反馈闭环回路。可以看出,若将系统抽象为一闭环系统U(s)=U0×C(s)/F(s),模块内的2.5V基准也是系统的给定值U0,负反馈环路可抽象为反馈通道传递函数F(s)。系统有68V、36V两次稳压过程,只需在切换数据页的同时相应改变F(s)中的反馈系数即可。
　　此部分的电路参见图5。

　　输出的三相电压经整流滤波后,在电位器RP1的滑臂上取得反馈电压,该电压经光耦N1隔离、反相后送到VICOR模块的TRIM端,即构成了负反馈环。这里光耦三极管等效为一个接在TRIM和－OUT端的受控可变电阻,这样有效地防止了TRIM端上的反馈电压过高。
　　通电后,首先＋15V经R对C充电,充电时间常数由二者的乘积决定。当C上的电压不超过稳压管DZ稳压值加0.7V时,T1不导通,集电极输出为高电平,选中ROM里存储68V数据的页面,同时,三极管T2、达林顿光耦N2导通,电位器RP2与RP1并联,这个状态对应于起动阶段输出68V高电压;当C上的电压超过稳压管稳压值加0.7V后,T1导通,集电极输出为低电平,选中存储36V数据的页面,同时T2、N2截止,RP2支路断开,RP1滑臂上的反馈电压增大,系统反馈系数也变大,输出将降低,这时对应于正常工作阶段输出36V。
　　这里,用PWM数据的调制度大致决定输出电压幅度。确定此参数时,断开负反馈环,VICOR模块输出额定电压,系统带满载并能输出预定电压时的调制度,就是合适的取值,经实验,68V、36V的调制度分别取为1.50、0.50。用电位器RP1、RP2可对输出电压在一定范围内微调。输出36V时,仅RP1起作用,故应先调定RP1,再用RP2对68V调节。
　　取样电阻值的选择很重要,选得过小,光耦会出现饱和情况,系统就会振荡;选得太大,光耦不足以导通,负反馈环起不到调节作用。
　　5 产品性能和应用情况
　　研制的电源能满足外形尺寸要求,能以简洁的电路实现并完全达到各性能参数的关键在于VICOR模块与逆变部分的巧妙配合。以下是产品的实测数据：
　　（1）输出电压：
　　稳压精度——30s内：空载：69.0V满载:67.5V
　　30s后：空载：36.3V满载:36.0V
　　频率——开机:401.5Hz
　　带载一小时:398.5Hz

　　THD——输出68V空载:0.5％80％负载:3％
　　输出36V空载:0.2％80％负载:0.5％
　　三相不平衡度：（2）最大输出功率：210VA
　　（3）效率：65％(满载)
　　（4）输入电压：（21～32）VDC
　　本模块化逆变电源试制成功后,除用于该型鱼雷外,还用于某型雷达及某研究所的航空传感器测试平台等场合,用户反映良好。