一款高壓正弦波變頻逆變電源的電路設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

(b)相頻特性圖

圖4 二階濾波電路的幅頻及相頻特性

這是一個(gè)二階濾波電路，其傳遞函數(shù)的幅頻和相頻特性示意圖如圖4所示。由圖4可見，對(duì)同樣幅值的輸入電壓，頻率由小到大變化時(shí)，其輸出響應(yīng)先變大，到某一個(gè)最高點(diǎn)后，再逐漸變小。這意味著主電路的增益在頻率變化時(shí)會(huì)劇烈變化，給控制電路的設(shè)計(jì)帶來(lái)不便。由相頻特性可見變壓器相當(dāng)于一個(gè)滯后環(huán)節(jié)。

由以上分析可知，由于漏感和雜散電容的存在，高壓高頻變壓器在電路中的增益隨頻率的變化而變化，且容易出現(xiàn)諧振現(xiàn)象。以某高壓高頻變壓器為例，實(shí)際測(cè)量該變壓器的參數(shù)為：Ls=0.8H，Rs=25Ω，Cs=5000pF。則其諧振角頻率ωo=15.8×103rad/s，對(duì)應(yīng)的諧振開關(guān)頻率fo=2.5kHz，品質(zhì)因數(shù)Q≌500。在頻率約5～10kHz范圍該變壓器增益極大，須將輸入電壓降得很低才能得到所需輸出，很容易造成輸出過(guò)壓。而過(guò)了10kHz頻帶后，增益迅速衰減，須將輸入電壓升得很高才能得到所需輸出，在20kHz頻率下會(huì)出現(xiàn)電壓傳遞不到副邊的現(xiàn)象。

因此，在高壓高頻變壓器的繞制過(guò)程中，應(yīng)注意減少其漏感以提高諧振頻率。可采用減少繞組匝數(shù)，原副邊緊密耦合，應(yīng)用高密度絕緣材料等辦法解決該問題。

本文采用一對(duì)U型非晶合金作為高壓高頻變壓器的磁芯，這種材料的飽和磁密可達(dá)1T，且磁導(dǎo)率較高，在設(shè)計(jì)變壓器時(shí)可不加氣隙，使漏感減到最小。

經(jīng)過(guò)重新處理后的高壓變壓器參數(shù)為：Ls=0.08H，Rs=55Ω，Cs=3500pF，其諧振頻率為fo=9.5kHz，可基本滿足需要。

(a)輸出電壓波形(5kHz)

(b)輸出電壓波形(10kHz)

圖5 不同頻率時(shí)的輸出電壓波形

應(yīng)該指出的是，DC/AC部分輸出的方波經(jīng)LC和變壓器濾波后雖然能得到正弦波，但不同的頻帶濾波效果是不同的。方波由基波和一系列奇數(shù)次諧波組成。在低頻時(shí)，諧波頻率也較低，由圖5(a)可見諧波的衰減較小，造成輸出正弦波的正弦度不是太好，而高頻時(shí)，諧波頻率較高，衰減很大，使變壓器可以輸出標(biāo)準(zhǔn)正弦波。如圖5(b)所示。

2、輸出交流頻率的控制

對(duì)輸出頻率的控制是通過(guò)改變SG3525芯片的調(diào)制頻率來(lái)實(shí)現(xiàn)的。SG3525的腳3(SYN)是輸入同步端，由80C196的HSO口輸出的頻率可調(diào)的脈沖經(jīng)緩沖后送入該腳，即可改變SG3525的振蕩頻率，從而實(shí)現(xiàn)輸出頻率的改變。如圖6所示。

圖6 SG3525頻率控制示意圖

3、輸出交流幅值的控制

對(duì)交流輸出電壓幅值的控制可采用開環(huán)或閉環(huán)控制的方法，開環(huán)控制比較簡(jiǎn)單，容易實(shí)現(xiàn)，且可靠，但精度不高，對(duì)負(fù)載和電網(wǎng)的波動(dòng)敏感。因此，本例采用閉環(huán)控制以實(shí)現(xiàn)對(duì)交流輸出幅值的控制，如圖7所示。電壓反饋值和輸出給定值進(jìn)行比較，并經(jīng)SG3525內(nèi)部的運(yùn)放放大后，得幅值可變的直流電壓。該電壓與內(nèi)部三角波比較后，可控制SG3525的輸出脈寬的大小，改變DC/DC輸出電壓值，從而改變DC/AC的輸出電壓幅值。

圖7 交流輸出幅值控制電路示意圖

4、恒流電路的設(shè)計(jì)

本文所設(shè)計(jì)的電源是一個(gè)電壓源，但在實(shí)際使用過(guò)程中可能會(huì)出現(xiàn)需要限制輸出電流的情況，因此，設(shè)計(jì)了一個(gè)恒流環(huán)節(jié)。電流給定和電流反饋信號(hào)比較放大后，經(jīng)二極管隔離后送入SG3525的腳8(SS)。腳8正常電壓約+5V，當(dāng)其電壓降到+5V以下時(shí)，輸出脈寬就開始被縮短，當(dāng)電壓再低到一定程度時(shí)，脈沖輸出將被封鎖。因此，可將此恒流電路看成是一個(gè)電流外環(huán)，正常運(yùn)行時(shí)，電流給定值大于電流反饋，PI調(diào)節(jié)器飽和，不影響SG3525的使用；當(dāng)電流反饋大于電流給定時(shí)，PI調(diào)節(jié)器輸出開始下降，將腳8電壓拉低，使SG3525輸出脈寬減少