采用PWM功率放大器的新型中頻電源設計方案

引 言

????????隨著電力電子技術及器件的發(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注、開發(fā)和應用。?

????????傳統(tǒng)中頻電源一般包括兩個環(huán)節(jié)：即前級穩(wěn)壓；后級中頻逆變；基本采用分立元器件。雖無傳統(tǒng)的旋轉部件；但體積仍然較大；效率較低；結構復雜；調試麻煩；不可靠因素較多；直接影響了電源及設備的可靠性。各種新型艦載電子設備對中頻電源的體積重量和性能指標提出了更為嚴格的要求；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的變頻技術。

????????正弦脈寬調制SPWM(Sine Pulse Width Modulation) 技術利用功率器件的導通與關斷；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到變壓變頻目的。采用SPWM技術的電源主要優(yōu)點有：效率高、體積小、噪聲小、失真度小、響應快。


工作原理

????????早期SPWM中頻電源多采用分立器件構成；系統(tǒng)中的振蕩器、比較器、死區(qū)發(fā)生器、驅動等需要十分謹慎的調節(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、運放等集成于單片IC內部；大大簡化了系統(tǒng)設計；系統(tǒng)可靠性也大為提高；隨著高速單片機和低價位DSP控制器的出現(xiàn)；數字化中頻電源開始廣泛使用；與此同時還出現(xiàn)了可編程數字化SPWM發(fā)生器，如SA838等；進一步簡化了系統(tǒng)設計；提高了系統(tǒng)可靠性。但是所有這些控制方案在構成一個完整的電源系統(tǒng)時都需要至少三路隔離電源；電源體積很難進一步減小。

　　美國APEX公司結合電力電子技術和功率放大器技術設計生產了脈寬調制功率放大器；該系列放大器將振蕩器、PWM發(fā)生器、死區(qū)發(fā)生器、自舉驅動器、IGBT和續(xù)流二級管、過流/過熱保護等功能部件全部集成一體；使其成為一個完整的PWM功率放大器；使用者只需按要求提供所需的模擬調制信號；經放大器后將輸出基波為調制信號的高頻高壓SPWM信號序列；再經高頻濾波后就可得到幅度和功率均放大的調制信號。若將放大器和濾波視為一個整體；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SA08典型參數：
????????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；內部振蕩及控制電路實現(xiàn)22. 5kHz的開關頻率；模塊效率高達98%；具有內部過流和過熱保護；同時提供用戶外部限流設置和關斷功能；MO-127封裝；工作溫度范圍- 55～125℃。

????????SA08外觀和引腳分布圖見圖1；內部功能圖見圖2 。?

????????由于將振蕩電路、控制電路、驅動電路和功率器件全部集成于模塊內部；SA08的可靠性大為提高；且接口非常簡潔。樣機電源以SA08為核心；由整流電路、輔助電源、中頻信號發(fā)生器、反饋控制電路和輸入輸出濾波電路等部分構成。原理圖見圖3。

????????單相220V AC電壓一路經整流橋整流濾波后作為SA08的功率電源；另一路經AC/DC轉換、共模抑制后作為控制電路和SA08輔助電源；信號發(fā)生器產生頻率400Hz；幅度可調的正弦信號；信號發(fā)生器通過優(yōu)化電路設計和選用低溫漂元件實現(xiàn)輸出頻率的穩(wěn)定；控制電路對輸入指令信號進行偏置、放大、PID及濾波處理、輸出限幅等；最后作為SA08輸入信號控制其功率輸出。過壓保護和過流保護也通過控制電路實現(xiàn)；SA08輸出的高頻高壓SPWM波經LC濾波器后供給負載；反饋電路直接從負載上進行電壓電流取樣；確保控制的精度。?

????????圖3　系統(tǒng)原理圖

關鍵技術的解決

????????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系：脈沖越窄；其頻譜越豐富。對于一個幅度達280V、頻率為22. 5KHz的SPWM脈沖序列；它對其周邊電路的干擾是非常嚴重的。同時；功率器件的高速開關而產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供電電源和控制電路產生難以估計的影響。因此；如何實現(xiàn)系統(tǒng)內部強弱電之間的電磁兼容便成為關鍵技術。

????????電磁兼容從實施途徑來講主要有接地、屏蔽和濾波三種方法。在理論分析的基礎上；通過大量實驗；找出了系統(tǒng)中的敏感回路、敏感元件和敏感點；并針對性的采取濾波、嚴格接地、合理布局與布線等措施。

????????首先；在整體布局上按照強弱電分離的原則；將信號發(fā)生器、控制和保護回路等與功率電路分開布局；其次；按照信號流和功率流進行局部布局和布線；使其流暢無交疊；輸入輸出分離；同時；布線嚴格遵循環(huán)路最小原則；第三；將發(fā)熱器件貼近機殼布置；對溫漂有嚴格要求的元器件遠離發(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格的高頻解耦；第五；嚴格接地。功率地和弱電地分離布線；嚴格消除大的接地環(huán)路；同時保證功率地接地阻抗的連續(xù)性。

試驗結果

????????對一臺中頻電源樣機進行系統(tǒng)的試驗；樣機達到了如下主要性能指標：
????????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、用戶身份驗證和計費管理、簡化網絡安全管理、不能讓非專業(yè)人員構建無線網絡。

( 1) 電網調整率：輸入187 ～ 242VAC , 輸出115V ±3 %
(2) 負載調整率：輸入220VAC ,負載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、過壓保護和過熱保護等功能
(5) 體積:160 ×97 ×45 (mm3)

結論
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????????采用新型功率器件和控制技術，實現(xiàn)了中頻電源小型化和高性能的技術要求。樣機體積縮小為同等電氣指標的傳統(tǒng)中頻電源的五分之一，元件數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、響應快、失真度小、可靠性高,具有較強的實用價值。