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） 

    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。 

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)。