模塊化逆變電源的設(shè)計(jì)與應(yīng)用

時(shí)間：2011-02-27 09:28:38

關(guān)鍵字：模塊化逆變電源 BSP 輸出電壓

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[導(dǎo)讀]摘要：討論模塊化逆變電源的應(yīng)用場(chǎng)合及設(shè)計(jì)特點(diǎn)，并以某定向陀螺用的逆變電源為例，介紹了模塊化逆變電源的設(shè)計(jì)過(guò)程。關(guān)鍵字：模塊化逆變電源VICOR模塊查表法規(guī)則采樣Ⅱ法SPWMPAMOn Design and Application of Modul

摘要：討論模塊化逆變電源的應(yīng)用場(chǎng)合及設(shè)計(jì)特點(diǎn)，并以某定向陀螺用的逆變電源為例，介紹了模塊化逆變電源的設(shè)計(jì)過(guò)程。

關(guān)鍵字：模塊化逆變電源VICOR模塊查表法規(guī)則采樣Ⅱ法SPWMPAM

On Design and Application of Modularized Inverter

Abstract: In this paper, the application occasion and the design consideration of modularized inverter is discussed. The whole process of design is introduced by taken a modularized invert supply of a orienting whirligig as an example.

Keywords: Modularized inverter， VICOR module， Table? searching method,Regular sampleⅡ , SPWM, PAM

中圖法分類(lèi)號(hào)：TN86文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A文章編號(hào)：0219?2713(2000)12－652－04

1引言

目前，逆變技術(shù)已在國(guó)民經(jīng)濟(jì)的各個(gè)領(lǐng)域中得到了極其廣泛的應(yīng)用，國(guó)內(nèi)外許多公司已能生產(chǎn)技術(shù)成熟的標(biāo)準(zhǔn)逆變電源，這些產(chǎn)品實(shí)現(xiàn)的功能較多，性能較好、可適應(yīng)較復(fù)雜的負(fù)載情況，但控制方案較復(fù)雜、體積較大、價(jià)格昂貴，適于實(shí)驗(yàn)室、車(chē)間的集中供電。在逆變技術(shù)的進(jìn)一步普及應(yīng)用中，越來(lái)越多的產(chǎn)品、設(shè)備要求逆變電源象直流電源一樣模塊化，并成為該產(chǎn)品、設(shè)備的一部分。通常在這種場(chǎng)合對(duì)逆變電源要求容量較小、負(fù)載單一、并控制體積和成本，顯然再采用標(biāo)準(zhǔn)逆變電源的方案就不合適了，這需要仔細(xì)考慮系統(tǒng)方案，簡(jiǎn)化控制，在保證性能指標(biāo)的同時(shí)，減小體積，降低成本。

本文以某新型魚(yú)雷定向陀螺用的模塊化逆變電源為例，介紹模塊化逆變電源的設(shè)計(jì)與應(yīng)用情況。本例的負(fù)載為感性，輸出電壓有個(gè)切換過(guò)程，在要求輸出電壓固定的場(chǎng)合，去掉電壓切換部分即可。

本模塊電源為三相400Hz逆變電源，24VDC輸入，要求輸出電壓在通電30s內(nèi)為68V，此時(shí)負(fù)載電流為3A；30s后，陀螺的起動(dòng)過(guò)程結(jié)束，要求輸出電壓無(wú)間斷地切換為36V，并提供1A負(fù)載電流，穩(wěn)壓精度2％，輸入輸出隔離。模塊外形尺寸不大于120mm×130mm×50mm。

2系統(tǒng)設(shè)計(jì)

在模塊電源的研發(fā)過(guò)程中，系統(tǒng)設(shè)計(jì)直接決定產(chǎn)品的最終性能?，F(xiàn)采用以下方案構(gòu)成SPWM型逆變器，系統(tǒng)框圖見(jiàn)圖1。

圖1系統(tǒng)框圖

2.1控制方案

模塊化逆變電源的負(fù)載一般已知，其特性也不復(fù)雜，沒(méi)有進(jìn)行實(shí)時(shí)計(jì)算的必要，因此采用查表法是很合適的，將控制波形的SPWM數(shù)據(jù)事先計(jì)算出來(lái)，存入ROM中，這樣可使控制部分得到最大程度的簡(jiǎn)化。調(diào)節(jié)直流母線電壓可以進(jìn)行輸出電壓的控制，雖然這種方式不利于三相分相控制并有一定滯后，在大容量逆變器中不常見(jiàn)，但在三相平衡負(fù)載場(chǎng)合，是完全可以滿足要求的。所以，本系統(tǒng)實(shí)際采用了PWM、PAM兩種控制方式。控制部分是系統(tǒng)的關(guān)鍵，本文將做詳細(xì)介紹。

2.2主電路設(shè)計(jì)

主電路需將24VDC輸入變換為較高的、可調(diào)節(jié)的直流母線電壓，選擇性能優(yōu)良的DC/DC模塊，可縮短設(shè)計(jì)周期、提高產(chǎn)品可靠性。

圖2規(guī)則采樣Ⅱ法

DC/DC模塊選用VICOR產(chǎn)品。該產(chǎn)品采用了ZCS/ZVS（零電流/電壓開(kāi)關(guān)）技術(shù)，突出優(yōu)點(diǎn)是高效率、高功率密度、高可靠性、低電磁干擾；同時(shí)，可以利用其I/O隔離的特性實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的隔離。若使用兩只24V變48V、輸出150W的VICOR模塊，輸入并聯(lián)，輸出串聯(lián)，可獲得96V的直流母線電壓。

（1）檢驗(yàn)功率不計(jì)各處損耗，最大輸出功率為

68×3=204VA

兩只模塊可輸出功率達(dá)300W，可以滿足要求。

（2）檢驗(yàn)電壓正常工作輸出36V時(shí)，若直流利用率為0.7，調(diào)制度為最大值1，則需直流電壓

36/0.7=51.5V

輸出68V時(shí)，若直流利用率仍為0.7，調(diào)制度為最大值1，則需直流電壓

68/0.7=97V

這是空載時(shí)所需的直流電壓，當(dāng)帶重載時(shí)，因線路阻抗和系統(tǒng)輸出阻抗的存在，所需的直流母線電壓更高，所以必須采取措施提高直流利用率。計(jì)算SPWM數(shù)據(jù)時(shí)，可適當(dāng)?shù)剡^(guò)調(diào)制，并在電路中稍微加大濾波，就可達(dá)到目的。

逆變橋使用MOSFET構(gòu)成三相逆變?nèi)珮?，濾波網(wǎng)絡(luò)中的電容采用三角形連接以加強(qiáng)濾波作用。

2.3保護(hù)與控制電源

當(dāng)有異常情況出現(xiàn)時(shí)，有兩種方法切斷輸出，一是封鎖控制數(shù)據(jù)，如選擇ROM數(shù)據(jù)全為零的空頁(yè)，此法方便快速；二是斷開(kāi)直流母線電壓，此法有利于負(fù)載的安全，這里選擇后者。VICOR模塊的GATEIN端是其功率提升同步端，也是該模塊的使能端，拉低該端電壓即可關(guān)閉模塊（Isink=6mA），它以－IN端電位為基準(zhǔn)，故檢測(cè)的過(guò)流、過(guò)壓信號(hào)均須以光耦與之隔離。

控制部分已相當(dāng)簡(jiǎn)單，電源功率很小，采用線性三端穩(wěn)壓器即可。除簡(jiǎn)便外，還有可靠、電磁干擾小的優(yōu)點(diǎn)。固定一只模塊的輸出電壓以獲得控制電源，而調(diào)節(jié)另一只來(lái)控制系統(tǒng)輸出電壓的幅值。

3PWM波形控制

在ROM中的PWM數(shù)據(jù)是離線計(jì)算的，靈活性較大。采用SPWM方法之一的規(guī)則采樣Ⅱ法計(jì)算數(shù)據(jù)，可比較準(zhǔn)確地得到開(kāi)關(guān)器件的導(dǎo)通、關(guān)斷時(shí)間，其原理誤差與存儲(chǔ)數(shù)據(jù)時(shí)取整帶來(lái)的誤差相比可以忽略。計(jì)算程序的入口參數(shù)主要有三個(gè)：載波頻率fc、調(diào)制頻率fm和調(diào)制度M，其中調(diào)制度代表預(yù)期的輸出幅值。輸出電壓切換前后的幅值相差很大，不能使用一個(gè)調(diào)制度，所以在ROM中存儲(chǔ)兩組數(shù)據(jù)（每組2k字節(jié)），通過(guò)控制高位地址線實(shí)現(xiàn)電壓切換。前面2.2節(jié)述及，起動(dòng)階段輸出68V時(shí)，需適當(dāng)?shù)倪^(guò)調(diào)制，此時(shí)，SPWM就近似為梯形波比較調(diào)制，使直流利用率提高；而正常工作輸出36V時(shí)，直流母線電壓綽綽有余，調(diào)制度較低，諧波含量將很少。 [!--empirenews.page--]

規(guī)則采樣Ⅱ法的原理如圖2所示，在三角載波的負(fù)峰值時(shí)對(duì)正弦調(diào)制波采樣，得到圖中E點(diǎn)，采樣電壓為urE=MsinωCtE。E點(diǎn)水平線在三角波上截得A、B兩點(diǎn)，兩點(diǎn)間的時(shí)間就作為SPWM波在該載波周期的脈寬時(shí)間t2。由相似三角形的比例關(guān)系可得下式：

脈寬時(shí)間(1)

間隙時(shí)間(2)

Tc為三角載波的周期。利用式（1）可以很快地計(jì)算出各個(gè)脈沖寬度，而兩個(gè)脈沖之間的間隙時(shí)間為前一脈沖的t3與后一脈沖的t1之和。

圖3是產(chǎn)生PWM數(shù)據(jù)的程序流程：

圖3產(chǎn)生PWM數(shù)據(jù)的程序流程圖

(a)主程序(b)計(jì)算某相數(shù)據(jù)子程序

圖4VICOR模塊調(diào)壓原理

程序中，計(jì)算某相數(shù)據(jù)的子程序是三相公用的。其中一個(gè)參數(shù)是正弦調(diào)制波相位，改變這個(gè)參數(shù)可分別計(jì)算出A、B、C數(shù)據(jù)，并且可以補(bǔ)償因?yàn)V波元件參數(shù)不一致而導(dǎo)致的三相不平衡。計(jì)算完各開(kāi)關(guān)點(diǎn)時(shí)間后，將時(shí)間轉(zhuǎn)換為0、1位串的字節(jié)長(zhǎng)度，這個(gè)過(guò)程要進(jìn)行四舍五入，修正值初值為0.5。但四舍五入一般會(huì)帶來(lái)數(shù)字節(jié)的誤差，為了保證總的字節(jié)數(shù)成整k，需要以逐次逼近方式修改修正值。

此部分電路中，一555多諧振蕩器產(chǎn)生819.2kHz時(shí)鐘，經(jīng)12位計(jì)數(shù)器進(jìn)行地址變換，使存儲(chǔ)于ROM中的PWM數(shù)據(jù)周期性地輸出，再由專(zhuān)用驅(qū)動(dòng)芯片IR2110驅(qū)動(dòng)MOSFET三相全橋進(jìn)行逆變。

4輸出電壓控制

介紹這部分前，需先對(duì)VICOR模塊的調(diào)壓原理進(jìn)行了解，參見(jiàn)圖4。

VICOR模塊的電壓調(diào)節(jié)端TRIM同時(shí)也是模塊內(nèi)部誤差放大器的電壓給定端，經(jīng)一個(gè)10kΩ電阻與2.5V基準(zhǔn)串聯(lián)，此端懸空時(shí)，誤差放大器的給定電壓為2.5V，模塊輸出額定電壓。由TRIM端外接電阻到－OUT端與10kΩ電阻對(duì)2.5V分壓，使誤差放大器的給定電壓降低，模塊的輸出電壓即被按比例地調(diào)低；由＋OUT端外接電阻到TRIM端與10kΩ電阻對(duì)輸出電壓分壓，輸出電壓亦被按比例地調(diào)高。模塊的輸出電壓調(diào)節(jié)范圍是額定值的5％到110％。值得注意的是，若TRIM端電壓過(guò)高，將導(dǎo)致模塊的過(guò)壓保護(hù)動(dòng)作。

使模塊的電壓調(diào)節(jié)端TRIM隨著系統(tǒng)輸出電壓有效值的變化而反向變化，即可構(gòu)成負(fù)反饋閉環(huán)回路?？梢钥闯觯魧⑾到y(tǒng)抽象為一閉環(huán)系統(tǒng)U(s)=U0×C(s)/F(s)，模塊內(nèi)的2.5V基準(zhǔn)也是系統(tǒng)的給定值U0，負(fù)反饋環(huán)路可抽象為反饋通道傳遞函數(shù)F(s)。系統(tǒng)有68V、36V兩次穩(wěn)壓過(guò)程，只需在切換數(shù)據(jù)頁(yè)的同時(shí)相應(yīng)改變F(s)中的反饋系數(shù)即可。

此部分的電路參見(jiàn)圖5。

輸出的三相電壓經(jīng)整流濾波后，在電位器RP1的滑臂上取得反饋電壓，該電壓經(jīng)光耦N1隔離、反相后送到VICOR模塊的TRIM端，即構(gòu)成了負(fù)反饋環(huán)。這里光耦三極管等效為一個(gè)接在TRIM和－OUT端的受控可變電阻，這樣有效地防止了TRIM端上的反饋電壓過(guò)高。

通電后，首先＋15V經(jīng)R對(duì)C充電，充電時(shí)間常數(shù)由二者的乘積決定。當(dāng)C上的電壓不超過(guò)穩(wěn)壓管DZ穩(wěn)壓值加0.7V時(shí)，T1不導(dǎo)通，集電極輸出為高電平，選中ROM里存儲(chǔ)68V數(shù)據(jù)的頁(yè)面，同時(shí)，三極管T2、達(dá)林頓光耦N2導(dǎo)通，電位器RP2與RP1并聯(lián)，這個(gè)狀態(tài)對(duì)應(yīng)于起動(dòng)階段輸出68V高電壓；當(dāng)C上的電壓超過(guò)穩(wěn)壓管穩(wěn)壓值加0.7V后，T1導(dǎo)通，集電極輸出為低電平，選中存儲(chǔ)36V數(shù)據(jù)的頁(yè)面，同時(shí)T2、N2截止，RP2支路斷開(kāi)，RP1滑臂上的反饋電壓增大，系統(tǒng)反饋系數(shù)也變大，輸出將降低，這時(shí)對(duì)應(yīng)于正常工作階段輸出36V。

圖5電壓控制電路

這里，用PWM數(shù)據(jù)的調(diào)制度大致決定輸出電壓幅度。確定此參數(shù)時(shí)，斷開(kāi)負(fù)反饋環(huán)，VICOR模塊輸出額定電壓，系統(tǒng)帶滿載并能輸出預(yù)定電壓時(shí)的調(diào)制度，就是合適的取值，經(jīng)實(shí)驗(yàn)，68V、36V的調(diào)制度分別取為1.50、0.50。用電位器RP1、RP2可對(duì)輸出電壓在一定范圍內(nèi)微調(diào)。輸出36V時(shí)，僅RP1起作用，故應(yīng)先調(diào)定RP1，再用RP2對(duì)68V調(diào)節(jié)。

取樣電阻值的選擇很重要，選得過(guò)小，光耦會(huì)出現(xiàn)飽和情況，系統(tǒng)就會(huì)振蕩；選得太大，光耦不足以導(dǎo)通，負(fù)反饋環(huán)起不到調(diào)節(jié)作用。

5產(chǎn)品性能和應(yīng)用情況

研制的電源能滿足外形尺寸要求，能以簡(jiǎn)潔的電路實(shí)現(xiàn)并完全達(dá)到各性能參數(shù)的關(guān)鍵在于VICOR模塊與逆變部分的巧妙配合。以下是產(chǎn)品的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)：

（1）輸出電壓：

穩(wěn)壓精度——30s內(nèi)：空載：69.0V滿載:67.5V

30s后：空載：36.3V滿載:36.0V

頻率——開(kāi)機(jī):401.5Hz帶載一小時(shí):398.5Hz

THD——輸出68V空載:0.5％80％負(fù)載:3％

輸出36V空載:0.2％80％負(fù)載:0.5％

三相不平衡度： <2%

（2）最大輸出功率：210VA

（3）效率：65％(滿載)