PWM放大器的中頻電源研究

中心議題：

• PWM放大器的中頻電源研究
• PWM放大器工作原理

解決方案：

• 采用新型功率器件和控制技術(shù)

• 基本采用分立元器件

引 言

隨著電力電子技術(shù)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(diào)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(guān)注、開(kāi)發(fā)和應(yīng)用。

傳統(tǒng)中頻電源一般包括兩個(gè)環(huán)節(jié)：即前級(jí)穩(wěn)壓；后級(jí)中頻逆變；基本采用分立元器件。雖無(wú)傳統(tǒng)的旋轉(zhuǎn)部件；但體積仍然較大；效率較低；結(jié)構(gòu)復(fù)雜；調(diào)試麻煩；不可靠因素較多；直接影響了電源及設(shè)備的可靠性。各種新型艦載電子設(shè)備對(duì)中頻電源的體積重量和性能指標(biāo)提出了更為嚴(yán)格的要求；而傳統(tǒng)中頻電源已無(wú)法滿足；解決的途徑只能是尋求更為先進(jìn)的變頻技術(shù)。

正弦脈寬調(diào)制SPWM(Sine Pulse Width Modulation) 技術(shù)利用功率器件的導(dǎo)通與關(guān)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(guò)控制脈沖的寬度和和脈沖序列的周期以達(dá)到變壓變頻目的。采用SPWM技術(shù)的電源主要優(yōu)點(diǎn)有：效率高、體積小、噪聲小、失真度小、響應(yīng)快。

工作原理

早期SPWM中頻電源多采用分立器件構(gòu)成；系統(tǒng)中的振蕩器、比較器、死區(qū)發(fā)生器、驅(qū)動(dòng)等需要十分謹(jǐn)慎的調(diào)節(jié)；且可靠性不高；現(xiàn)在這種方案已很少采用；后來(lái)出現(xiàn)了單片集成SPWM控制器；如HEF4752V等；將振蕩器、比較器、運(yùn)放等集成于單片IC內(nèi)部；大大簡(jiǎn)化了系統(tǒng)設(shè)計(jì)；系統(tǒng)可靠性也大為提高；隨著高速單片機(jī)和低價(jià)位DSP控制器的出現(xiàn)；數(shù)字化中頻電源開(kāi)始廣泛使用；與此同時(shí)還出現(xiàn)了可編程數(shù)字化SPWM發(fā)生器，如SA838等；進(jìn)一步簡(jiǎn)化了系統(tǒng)設(shè)計(jì)；提高了系統(tǒng)可靠性。但是所有這些控制方案在構(gòu)成一個(gè)完整的電源系統(tǒng)時(shí)都需要至少三路隔離電源；電源體積很難進(jìn)一步減小。

美國(guó)APEX公司結(jié)合電力電子技術(shù)和功率放大器技術(shù)設(shè)計(jì)生產(chǎn)了脈寬調(diào)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(qū)動(dòng)器、IGBT和續(xù)流二級(jí)管、過(guò)流/過(guò)熱保護(hù)等功能部件全部集成一體；使其成為一個(gè)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(diào)制信號(hào)；經(jīng)放大器后將輸出基波為調(diào)制信號(hào)的高頻高壓SPWM信號(hào)序列；再經(jīng)高頻濾波后就可得到幅度和功率均放大的調(diào)制信號(hào)。若將放大器和濾波視為一個(gè)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(hào)SA08典型參數(shù)

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(nèi)部振蕩及控制電路實(shí)現(xiàn)22. 5kHz的開(kāi)關(guān)頻率；模塊效率高達(dá)98%；具有內(nèi)部過(guò)流和過(guò)熱保護(hù)；同時(shí)提供用戶外部限流設(shè)置和關(guān)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(jiàn)圖1；內(nèi)部功能圖見(jiàn)圖2 。

單相220V AC電壓一路經(jīng)整流橋整流濾波后作為SA08的功率電源；另一路經(jīng)AC/DC轉(zhuǎn)換、共模抑制后作為控制電路和SA08輔助電源；信號(hào)發(fā)生器產(chǎn)生頻率400Hz；幅度可調(diào)的正弦信號(hào)；信號(hào)發(fā)生器通過(guò)優(yōu)化電路設(shè)計(jì)和選用低溫漂元件實(shí)現(xiàn)輸出頻率的穩(wěn)定；控制電路對(duì)輸入指令信號(hào)進(jìn)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(hào)控制其功率輸出。過(guò)壓保護(hù)和過(guò)流保護(hù)也通過(guò)控制電路實(shí)現(xiàn)；SA08輸出的高頻高壓SPWM波經(jīng)LC濾波器后供給負(fù)載；反饋電路直接從負(fù)載上進(jìn)行電壓電流取樣；確保控制的精度。

關(guān)鍵技術(shù)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(guān)系：脈沖越窄；其頻譜越豐富。對(duì)于一個(gè)幅度達(dá)280V、頻率為22. 5KHz的SPWM脈沖序列；它對(duì)其周邊電路的干擾是非常嚴(yán)重的。同時(shí)；功率器件的高速開(kāi)關(guān)而產(chǎn)生的巨大電壓變化率du/dT和電流變化率di/dT將通過(guò)雜散電容和引線電感對(duì)供電電源和控制電路產(chǎn)生難以估計(jì)的影響。因此；如何實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)內(nèi)部強(qiáng)弱電之間的電磁兼容便成為關(guān)鍵技術(shù)。

電磁兼容從實(shí)施途徑來(lái)講主要有接地、屏蔽和濾波三種方法。在理論分析的基礎(chǔ)上；通過(guò)大量實(shí)驗(yàn)；找出了系統(tǒng)中的敏感回路、敏感元件和敏感點(diǎn)；并針對(duì)性的采取濾波、嚴(yán)格接地、合理布局與布線等措施。

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

試驗(yàn)結(jié)果

對(duì)一臺(tái)中頻電源樣機(jī)進(jìn)行系統(tǒng)的試驗(yàn)；樣機(jī)達(dá)到了如下主要性能指標(biāo)：

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(yàn)證和計(jì)費(fèi)管理、簡(jiǎn)化網(wǎng)絡(luò)安全管理、不能讓非專(zhuān)業(yè)人員構(gòu)建無(wú)線網(wǎng)絡(luò)。

(1) 電網(wǎng)調(diào)整率：輸入187 ～ 242VAC , 輸出115V ±3 %

(2) 負(fù)載調(diào)整率：輸入220VAC ,負(fù)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(guò)流保護(hù)、過(guò)壓保護(hù)和過(guò)熱保護(hù)等功能

(5) 體積:160 ×97 ×45 (mm3)

結(jié)論

采用新型功率器件和控制技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了中頻電源小型化和高性能的技術(shù)要求。樣機(jī)體積縮小為同等電氣指標(biāo)的傳統(tǒng)中頻電源的五分之一，元件數(shù)量減少為原來(lái)的二分之一。該新型中頻電源體積小、重量輕、噪聲小、響應(yīng)快、失真度小、可靠性高,具有較強(qiáng)的實(shí)用價(jià)值。