基于PWM功率放大器的新型中頻電源方案設(shè)計(jì)

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(kāi)發(fā)和應(yīng)用。

傳統(tǒng)中頻電源一般包括兩個(gè)環(huán)節(jié)：即前級(jí)穩(wěn)壓；后級(jí)中頻逆變；基本采用分立元器件。雖無(wú)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(fù)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(duì)中頻電源的體積重量和性能指標(biāo)提出了更為嚴(yán)格的要求；而傳統(tǒng)中頻電源已無(wú)法滿足；解決的途徑只能是尋求更為先進(jìn)的變頻技術(shù)。

正弦脈寬調(diào)制SPWM(Sine Pulse Width Modulation) 技術(shù)利用功率器件的導(dǎo)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(guò)控制脈沖的寬度和和脈沖序列的周期以達(dá)到變壓變頻目的。采用SPWM技術(shù)的電源主要優(yōu)點(diǎn)有：效率高、體積小、噪聲小、失真度小、響應(yīng)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(dòng)等需要十分謹(jǐn)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(lái)出現(xiàn)了單片集成SPWM控制器；如HEF4752V等；將振蕩器、比較器、運(yùn)放等集成于單片IC內(nèi)部；大大簡(jiǎn)化了系統(tǒng)設(shè)計(jì)；系統(tǒng)可靠性也大為提高；隨著高速單片機(jī)和低價(jià)位DSP控制器的出現(xiàn)；數(shù)字化中頻電源開(kāi)始廣泛使用；與此同時(shí)還出現(xiàn)了可編程數(shù)字化SPWM發(fā)生器，如SA838等；進(jìn)一步簡(jiǎn)化了系統(tǒng)設(shè)計(jì)；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(gè)完整的電源系統(tǒng)時(shí)都需要至少三路隔離電源；電源體積很難進(jìn)一步減小。

　　美國(guó)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(jì)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(dòng)器、IGBT和續(xù)流二級(jí)管、過(guò)流/過(guò)熱保護(hù)等功能部件全部集成一體；使其成為一個(gè)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(hào)；經(jīng)放大器后將輸出基波為調(diào)制信號(hào)的高頻高壓SPWM信號(hào)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(hào)。若將放大器和濾波視為一個(gè)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(hào)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(shí)現(xiàn)22. 5kHz的開(kāi)關(guān)頻率；模塊效率高達(dá)98%；具有內(nèi)部過(guò)流和過(guò)熱保護(hù)；同時(shí)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(jiàn)圖1；內(nèi)部功能圖見(jiàn)圖2 。

由于將振蕩電路、控制電路、驅(qū)動(dòng)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(jiǎn)潔。樣機(jī)電源以SA08為核心；由整流電路、輔助電源、中頻信號(hào)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(jiàn)圖3。

單相220V AC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(hào)發(fā)生器產(chǎn)生頻率400Hz；幅度可調(diào)的正弦信號(hào)；信號(hào)發(fā)生器通過(guò)優(yōu)化電路設(shè)計(jì)和選用低溫漂元件實(shí)現(xiàn)輸出頻率的穩(wěn)定；控制電路對(duì)輸入指令信號(hào)進(jìn)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(hào)控制其功率輸出。過(guò)壓保護(hù)和過(guò)流保護(hù)也通過(guò)控制電路實(shí)現(xiàn)；SA08輸出的高頻高壓SPWM波經(jīng)LC濾波器后供給負(fù)載；反饋電路直接從負(fù)載上進(jìn)行電壓電流取樣；確保控制的精度。

圖3　系統(tǒng)原理圖