PWM放大器在中頻電源中的應用與研究

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、開發(fā)和應用。

傳統(tǒng)中頻電源一般包括兩個環(huán)節(jié)：即前級穩(wěn)壓；后級中頻逆變；基本采用分立元器件。雖無傳統(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)備對中頻電源的體積重量和性能指標提出了更為嚴格的要求；而傳統(tǒng)中頻電源已無法滿足；解決的途徑只能是尋求更為先進的變頻技術(shù)。

正弦脈寬調(diào)制SPWM(SinePulseWidthModulation)技術(shù)利用功率器件的導通與關(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；并通過控制脈沖的寬度和和脈沖序列的周期以達到變壓變頻目的。采用SPWM技術(shù)的電源主要優(yōu)點有：效率高、體積小、噪聲小、失真度小、響應快。

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)動等需要十分謹慎的調(diào)節(jié)；且可靠性不高；現(xiàn)在這種方案已很少采用；后來出現(xiàn)了單片集成SPWM控制器；如HEF4752V等；將振蕩器、比較器、運放等集成于單片IC內(nèi)部；大大簡化了系統(tǒng)設(shè)計；系統(tǒng)可靠性也大為提高；隨著高速單片機和低價位DSP控制器的出現(xiàn)；數(shù)字化中頻電源開始廣泛使用；與此同時還出現(xiàn)了可編程數(shù)字化SPWM發(fā)生器，如SA838等；進一步簡化了系統(tǒng)設(shè)計；提高了系統(tǒng)可靠性。但是所有這些控制方案在構(gòu)成一個完整的電源系統(tǒng)時都需要至少三路隔離電源；電源體積很難進一步減小。

美國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)動器、IGBT和續(xù)流二級管、過流/過熱保護等功能部件全部集成一體；使其成為一個完整的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；經(jīng)放大器后將輸出基波為調(diào)制信號的高頻高壓SPWM信號序列；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。若將放大器和濾波視為一個整體；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現(xiàn)22.5kHz的開關(guān)頻率；模塊效率高達98%；具有內(nèi)部過流和過熱保護；同時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圖1；內(nèi)部功能圖見圖2。

由于將振蕩電路、控制電路、驅(qū)動電路和功率器件全部集成于模塊內(nèi)部；SA08的可靠性大為提高；且接口非常簡潔。樣機電源以SA08為核心；由整流電路、輔助電源、中頻信號發(fā)生器、反饋控制電路和輸入輸出濾波電路等部分構(gòu)成。原理圖見圖3。

圖3系統(tǒng)原理圖

單相220VAC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；信號發(fā)生器產(chǎn)生頻率400Hz；幅度可調(diào)的正弦信號；信號發(fā)生器通過優(yōu)化電路設(shè)計和選用低溫漂元件實現(xiàn)輸出頻率的穩(wěn)定；控制電路對輸入指令信號進行偏置、放大、PID及濾波處理、輸出限幅等；最后作為SA08輸入信號控制其功率輸出。過壓保護和過流保護也通過控制電路實現(xiàn)；SA08輸出的高頻高壓SPWM波經(jīng)LC濾波器后供給負載；反饋電路直接從負載上進行電壓電流取樣；確?？刂频木?。

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。對于一個幅度達280V、頻率為22.5KHz的SPWM脈沖序列；它對其周邊電路的干擾是非常嚴重的。同時；功率器件的高速開關(guān)而產(chǎn)生的巨大電壓變化率du/dT和電流變化率di/dT將通過雜散電容和引線電感對供電電源和控制電路產(chǎn)生難以估計的影響。因此；如何實現(xiàn)系統(tǒng)內(nèi)部強弱電之間的電磁兼容便成為關(guān)鍵技術(shù)。

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

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

試驗結(jié)果

對一臺中頻電源樣機進行系統(tǒng)的試驗；樣機達到了如下主要性能指標：

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、用戶身份驗證和計費管理、簡化網(wǎng)絡安全管理、不能讓非專業(yè)人員構(gòu)建無線網(wǎng)絡。

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

(2)負載調(diào)整率：輸入220VAC,負載0A～1A,輸出115V±3%

(3)輸出頻率400Hz±0.5%,波形失真度≤2%

(4)具有過流保護、過壓保護和過熱保護等功能

(5)體積:160×97×45(mm3)

結(jié)論

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