模塊化逆變電源的設計與應用

摘要：討論模塊化逆變電源的應用場合及設計特點，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計過程。

關鍵字：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文獻標識碼：A文章編號：0219?2713(2000)12－652－04

1引言

目前，逆變技術已在國民經(jīng)濟的各個領域中得到了極其廣泛的應用，國內外許多公司已能生產(chǎn)技術成熟的標準逆變電源，這些產(chǎn)品實現(xiàn)的功能較多，性能較好、可適應較復雜的負載情況，但控制方案較復雜、體積較大、價格昂貴，適于實驗室、車間的集中供電。在逆變技術的進一步普及應用中，越來越多的產(chǎn)品、設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，顯然再采用標準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計與應用情況。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內為68V，此時負載電流為3A；30s后，陀螺的起動過程結束，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)設計

在模塊電源的研發(fā)過程中，系統(tǒng)設計直接決定產(chǎn)品的最終性能。現(xiàn)采用以下方案構成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。控制部分是系統(tǒng)的關鍵，本文將做詳細介紹。

2.2主電路設計

主電路需將24VDC輸入變換為較高的、可調節(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）技術，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?shù)剡^調制，并在電路中稍微加大濾波，就可達到目的。

逆變橋使用MOSFET構成三相逆變全橋，濾波網(wǎng)絡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閉模塊（Isink=6mA），它以－IN端電位為基準，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)，可比較準確地得到開關器件的導通、關斷時間，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、調制頻率fm和調制度M，其中調制度代表預期的輸出幅值。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?shù)倪^調制，此時，SPWM就近似為梯形波比較調制，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，調制度較低，諧波含量將很少。

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

脈寬時間(1)

間隙時間(2)

Tc為三角載波的周期。利用式（1）可以很快地計算出各個脈沖寬度，而兩個脈沖之間的間隙時間為前一脈沖的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：

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圖3產(chǎn)生PWM數(shù)據(jù)的程序流程圖

(a)主程序(b)計算某相數(shù)據(jù)子程序

圖4VICOR模塊調壓原理

程序中，計算某相數(shù)據(jù)的子程序是三相公用的。其中一個參數(shù)是正弦調制波相位，改變這個參數(shù)可分別計算出A、B、C數(shù)據(jù)，并且可以補償因濾波元件參數(shù)不一致而導致的三相不平衡。計算完各開關點時間后，將時間轉換為0、1位串的字節(jié)長度，這個過程要進行四舍五入，修正值初值為0.5。但四舍五入一般會帶來數(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時鐘，經(jīng)12位計數(shù)器進行地址變換，使存儲于ROM中的PWM數(shù)據(jù)周期性地輸出，再由專用驅動芯片IR2110驅動MOSFET三相全橋進行逆變。

4輸出電壓控制

介紹這部分前，需先對VICOR模塊的調壓原理進行了解，參見圖4。

VICOR模塊的電壓調節(jié)端TRIM同時也是模塊內部誤差放大器的電壓給定端，經(jīng)一個10kΩ電阻與2.5V基準串聯(lián)，此端懸空時，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低；由＋OUT端外接電阻到TRIM端與10kΩ電阻對輸出電壓分壓，輸出電壓亦被按比例地調高。模塊的輸出電壓調節(jié)范圍是額定值的5％到110％。值得注意的是，若TRIM端電壓過高，將導致模塊的過壓保護動作。

使模塊的電壓調節(jié)端TRIM隨著系統(tǒng)輸出電壓有效值的變化而反向變化，即可構成負反饋閉環(huán)回路。可以看出，若將系統(tǒng)抽象為一閉環(huán)系統(tǒng)U(s)=U0×C(s)/F(s)，模塊內的2.5V基準也是系統(tǒng)的給定值U0，負反饋環(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)壓過程，只需在切換數(shù)據(jù)頁的同時相應改變F(s)中的反饋系數(shù)即可。

此部分的電路參見圖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，即構成了負反饋環(huán)。這里光耦三極管等效為一個接在TRIM和－OUT端的受控可變電阻，這樣有效地防止了TRIM端上的反饋電壓過高。

通電后，首先＋15V經(jīng)R對C充電，充電時間常數(shù)由二者的乘積決定。當C上的電壓不超過穩(wěn)壓管DZ穩(wěn)壓值加0.7V時，T1不導通，集電極輸出為高電平，選中ROM里存儲68V數(shù)據(jù)的頁面，同時，三極管T2、達林頓光耦N2導通，電位器RP2與RP1并聯(lián)，這個狀態(tài)對應于起動階段輸出68V高電壓；當C上的電壓超過穩(wěn)壓管穩(wěn)壓值加0.7V后，T1導通，集電極輸出為低電平，選中存儲36V數(shù)據(jù)的頁面，同時T2、N2截止，RP2支路斷開，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，這時對應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)的調制度大致決定輸出電壓幅度。確定此參數(shù)時，斷開負反饋環(huán)，VICOR模塊輸出額定電壓，系統(tǒng)帶滿載并能輸出預定電壓時的調制度，就是合適的取值，經(jīng)實驗，68V、36V的調制度分別取為1.50、0.50。用電位器RP1、RP2可對輸出電壓在一定范圍內微調。輸出36V時，僅RP1起作用，故應先調定RP1，再用RP2對68V調節(jié)。

取樣電阻值的選擇很重要，選得過小，光耦會出現(xiàn)飽和情況，系統(tǒng)就會振蕩；選得太大，光耦不足以導通，負反饋環(huán)起不到調節(jié)作用。

5產(chǎn)品性能和應用情況

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

（1）輸出電壓：

穩(wěn)壓精度——30s內：空載：69.0V滿載:67.5V

30s后：空載：36.3V滿載:36.0V

頻率——開機:401.5Hz帶載一小時:398.5Hz

THD——輸出68V空載:0.5％80％負載:3％

輸出36V空載:0.2％80％負載:0.5％

三相不平衡度： <2%

（2）最大輸出功率：210VA

（3）效率：65％(滿載)