模塊化逆變電源的設(shè)計與應(yīng)用

摘要：討論模塊化逆變電源的應(yīng)用場合及設(shè)計特點，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)計過程。

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

中圖法分類號：TN86文獻標(biāo)識碼：A文章編號：02192713(2000)12－652－04

1引言

目前，逆變技術(shù)已在國民經(jīng)濟的各個領(lǐng)域中得到了極其廣泛的應(yīng)用，國內(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)品實現(xiàn)的功能較多，性能較好、可適應(yīng)較復(fù)雜的負載情況，但控制方案較復(fù)雜、體積較大、價格昂貴，適于實驗室、車間的集中供電。在逆變技術(shù)的進一步普及應(yīng)用中，越來越多的產(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。通常在這種場合對逆變電源要求容量較小、負載單一、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，這需要仔細考慮系統(tǒng)方案，簡化控制，在保證性能指標(biāo)的同時，減小體積，降低成本。

本文以某新型魚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)計與應(yīng)用情況。本例的負載為感性，輸出電壓有個切換過程，在要求輸出電壓固定的場合，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，此時負載電流為3A；30s后，陀螺的起動過程結(jié)束，要求輸出電壓無間斷地切換為36V，并提供1A負載電流，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

在模塊電源的研發(fā)過程中，系統(tǒng)設(shè)計直接決定產(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)框圖見圖1。

圖1系統(tǒng)框圖

2.1控制方案

模塊化逆變電源的負載一般已知，其特性也不復(fù)雜，沒有進行實時計算的必要，因此采用查表法是很合適的，將控制波形的SPWM數(shù)據(jù)事先計算出來，存入ROM中，這樣可使控制部分得到最大程度的簡化。調(diào)節(jié)直流母線電壓可以進行輸出電壓的控制，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，但在三相平衡負載場合，是完全可以滿足要求的。所以，本系統(tǒng)實際采用了PWM、PAM兩種控制方式?？刂撇糠质窍到y(tǒng)的關(guān)鍵，本文將做詳細介紹。

2.2主電路設(shè)計

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/電壓開關(guān)）技術(shù)，突出優(yōu)點是高效率、高功率密度、高可靠性、低電磁干擾；同時，可以利用其I/O隔離的特性實現(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）檢驗功率不計各處損耗，最大輸出功率為

68×3=204VA

兩只模塊可輸出功率達300W，可以滿足要求。

（2）檢驗電壓正常工作輸出36V時，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，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

這是空載時所需的直流電壓，當(dāng)帶重載時，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。計算SPWM數(shù)據(jù)時，可適當(dāng)?shù)剡^調(diào)制，并在電路中稍微加大濾波，就可達到目的。

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濾波作用。

2.3保護與控制電源

當(dāng)有異常情況出現(xiàn)時，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，此法方便快速；二是斷開直流母線電壓，此法有利于負載的安全，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)，故檢測的過流、過壓信號均須以光耦與之隔離。

控制部分已相當(dāng)簡單，電源功率很小，采用線性三端穩(wěn)壓器即可。除簡便外，還有可靠、電磁干擾小的優(yōu)點。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)是離線計算的，靈活性較大。采用SPWM方法之一的規(guī)則采樣Ⅱ法計算數(shù)據(jù)，可比較準(zhǔn)確地得到開關(guān)器件的導(dǎo)通、關(guān)斷時間，其原理誤差與存儲數(shù)據(jù)時取整帶來的誤差相比可以忽略。計算程序的入口參數(shù)主要有三個：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，不能使用一個調(diào)制度，所以在ROM中存儲兩組數(shù)據(jù)（每組2k字節(jié)），通過控制高位地址線實現(xiàn)電壓切換。前面2.2節(jié)述及，起動階段輸出68V時，需適當(dāng)?shù)倪^調(diào)制，此時，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，直流母線電壓綽綽有余，調(diào)制度較低，諧波含量將很少。