多功能單相逆變電源

摘要：介紹一種輸出為115V、400Hz電源的工作原理，給出了相應(yīng)的電路原理圖及參數(shù)。

關(guān)鍵詞：PWM調(diào)制 逆變 諧波

1 引言

直流27V變?yōu)榻涣?15V、400Hz的逆變電源在部隊(duì)和船舶上應(yīng)用廣泛，有較大需求。針對(duì)這一情況，我們研制了800VA的單相靜態(tài)逆變電源，該電源采用直流27V輸入，可以輸出115V、400Hz的正弦波電壓。并且用3臺(tái)同樣的電源經(jīng)適當(dāng)聯(lián)接，在外圍電路控制下，可以作為一臺(tái)三相逆變電源使用。

目前，新技術(shù)不斷出現(xiàn)，構(gòu)成DC/AC逆變的方法有很多。但考慮到具體的使用條件以及成本與可靠性，該電源采用了比較典型的兩級(jí)變換的方式，即第一級(jí)運(yùn)用DC/DC變換，將27V變換為約±130V的直流高壓，第二級(jí)運(yùn)用DC/AC變換，將直流高壓變換為交流輸出，通過反饋調(diào)節(jié)±130V的高壓直流電來保證穩(wěn)定的交流115V輸出。這樣，既簡化了電路調(diào)試和生產(chǎn)過程，質(zhì)量也容易控制，便于產(chǎn)業(yè)化。

2 主電路設(shè)計(jì)

2.1 利用DC/DC變換器實(shí)現(xiàn)穩(wěn)壓

該變換器采用了推挽工作方式，具有效率高、工作可靠的優(yōu)點(diǎn)。如圖1所示，該變換器的作用是將低壓直流電變換為高壓直流電。主變壓器T1初級(jí)接成推挽形式，次級(jí)因?yàn)殡妷狠^高，用全橋方式進(jìn)行整流，開關(guān)管S1、S2分別用4只IRF3710并聯(lián)，有效地降低了導(dǎo)通損耗。功率MOSFET的共生二極管同時(shí)可作為開關(guān)管關(guān)斷時(shí)的交流通路，抑制開關(guān)管兩端的關(guān)斷過電壓。R2、C3、R3、C4為阻容吸收電路，可以進(jìn)一步降低MOSFET關(guān)斷時(shí)的尖峰電壓。吸收電阻選擇的原則，是在最小導(dǎo)通時(shí)間時(shí)，仍能使電容上的電壓放電完畢，而吸收電容在吸收電阻功耗許可范圍內(nèi)盡量取大。經(jīng)過實(shí)驗(yàn)，本電路的吸收電阻為5Ω、5W，吸收電容為0.1μF、250VDC。

主變壓器T1選用TDK的PQ50/50磁芯，經(jīng)過計(jì)算（公式見參考文獻(xiàn)1），本變壓器初級(jí)為2匝，次級(jí)為30匝。因?yàn)槌跫?jí)電流較大，采用厚度為0.5mm的薄銅片繞制，同時(shí)采用初級(jí)、次級(jí)交替繞制的方法，使漏電感、趨膚及鄰近效應(yīng)最小。

濾波電感L1和L1＇共繞在同一個(gè)CD形的鐵心上，電感量為1.0mH。在連接上，L1和L1＇是串聯(lián)電感的形式，這樣可以提高電感量，并能確保對(duì)地輸出動(dòng)態(tài)和靜態(tài)特性均較好的±130V電壓。L2和L2＇是一組輔助濾波電感。

在實(shí)際的電路調(diào)試中，應(yīng)注意本級(jí)接阻性負(fù)載和接第二級(jí)DC/AC負(fù)載時(shí)，推挽變換器功率管的電壓波形明顯不同。在第二種情況下，功率管關(guān)斷時(shí)的尖峰電壓較小。

2.2 利用DC/AC逆變輸出正弦波

因?yàn)楸倦娫词禽敵龆l定壓115V、400Hz電源，從系統(tǒng)的可靠性和實(shí)用性出發(fā)，采用了方波變換，加諧振濾波的方法來輸出正弦波電壓。主電路見圖2。

S3、S4采用IRFP460，其驅(qū)動(dòng)電路采用SKHI21，電路簡單可靠，SKHI21的詳細(xì)資料見參考文獻(xiàn)2。L3電感量為6.8mH，采用CD12.5×25×60的鐵心加氣隙繞成，線徑為1.65mm；為了提高鐵心的利用效率，兩個(gè)繞組共用一個(gè)鐵心，串聯(lián)而成一個(gè)電感。C7～C10為5.0μF、400VDC的MKC電容；C14～C16為5.0μF、250VDC的MKP電容；C11～C13為1μF，400VDC的MKC電容，L6和C11～C13組成串聯(lián)諧振電路，主要用于濾掉三次諧波，L6等于4.3mH。該濾波電路經(jīng)電路仿真軟件EWB5.1D進(jìn)行仿真計(jì)算，各元器件參數(shù)均做了最優(yōu)化處理，在一定負(fù)載條件下，諧波失真度可控制在4％左右。

3 控制電路設(shè)計(jì)

控制電路由兩部分組成，一部分用于提供推挽式升壓電路的驅(qū)動(dòng)信號(hào)及電流、電壓反饋控制與保護(hù)，見圖3；另一部分則為逆變電路提供驅(qū)動(dòng)、保護(hù)信號(hào)，見圖4。在圖3中，以TL494為核心構(gòu)成PWM驅(qū)動(dòng)及保護(hù)電路，變換頻率為50kHz。115V輸出電壓經(jīng)隔離降壓后送到P8，經(jīng)過AD536取有效值后送入TL494的誤差放大器A1，用作系統(tǒng)的閉環(huán)電壓控制。推挽式逆變電路的電流經(jīng)電流互感器采樣由P7送于控制板進(jìn)行信號(hào)處理后送入TL494的誤差放大器A2，作為系統(tǒng)的電流環(huán)控制。TL494輸出的驅(qū)動(dòng)信號(hào)經(jīng)P6輸出到驅(qū)動(dòng)板進(jìn)行放大后送入主電路。該系統(tǒng)電路還具有完善的保護(hù)措施，包括：

（1）115V輸出電流過流保護(hù)。電流互感器的輸出信號(hào)經(jīng)P1進(jìn)入比較器U2，經(jīng)判斷比較后送入TL494的緩起動(dòng)封鎖端（DT）。

（2）熱保護(hù)。該系統(tǒng)在主要的功率器件上均裝有溫度繼電器，當(dāng)溫度過高時(shí)，相應(yīng)的P4兩端短路，從而使T12的發(fā)射極輸出高電平，封鎖PWM脈沖輸出。

（3）DC/AC逆變主電路過流保護(hù)及直流過壓保護(hù)。二者均由相應(yīng)的傳感器將信號(hào)送入控制板P5和P21處理后，封鎖PWM脈沖輸出。

圖4展示的電路，主要用于產(chǎn)生DC/AC逆變所需的驅(qū)動(dòng)信號(hào)。該驅(qū)動(dòng)信號(hào)可由本系統(tǒng)的信號(hào)電路產(chǎn)生，也可由外部電路供給，以便實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的并聯(lián)輸出，其轉(zhuǎn)換通過U12（MAX4544）多路開關(guān)自動(dòng)進(jìn)行，當(dāng)有外加信號(hào)時(shí)，經(jīng)過由U11等組成的電路處理，U11B－7向U12－7輸出高電平，從而使電子開關(guān)動(dòng)作，實(shí)現(xiàn)驅(qū)動(dòng)信號(hào)由內(nèi)部電路向外部電路的切換。驅(qū)動(dòng)信號(hào)由U3A放大及U10E整形后分別送于上升沿延時(shí)電路，延時(shí)電路主要由R50，C3，D15組成，完成驅(qū)動(dòng)信號(hào)的上升沿加“死區(qū)”時(shí)間的功能。這樣，就避免了同一臂的兩只開關(guān)管發(fā)生“直通”現(xiàn)象。其他的一些電路主要用于保護(hù)，提高系統(tǒng)的可靠性。

4 結(jié)語

本電源可靠性高，輸出波形失真度小，并且沒有SPWM調(diào)制電路所產(chǎn)生的尖峰干擾，目前已投入生產(chǎn)使用。