采用PWM功率放大器的新型中频电源设计方案

引 言

        随着电力电子技术及器件的发展；特别是功率MOSFET、IGBT、MCT、IPM以及单片集成脉宽调制功率放大器等新型器件的出现；使电压型SPWM逆变器得到广泛的关注、开发和应用。 

        传统中频电源一般包括两个环节：即前级稳压；后级中频逆变；基本采用分立元器件。虽无传统的旋转部件；但体积仍然较大；效率较低；结构复杂；调试麻烦；不可靠因素较多；直接影响了电源及设备的可靠性。各种新型舰载电子设备对中频电源的体积重量和性能指标提出了更为严格的要求；而传统中频电源已无法满足；解决的途径只能是寻求更为先进的变频技术。

        正弦脉宽调制SPWM(Sine Pulse Width ModulaTIon) 技术利用功率器件的导通与关断；把直流电压变成幅度相等而宽度按正弦规律变化的电压脉冲序列；并通过控制脉冲的宽度和和脉冲序列的周期以达到变压变频目的。采用SPWM技术的电源主要优点有：效率高、体积小、噪声小、失真度小、响应快。


工作原理

        早期SPWM中频电源多采用分立器件构成；系统中的振荡器、比较器、死区发生器、驱动等需要十分谨慎的调节；且可靠性不高；现在这种方案已很少采用；后来出现了单片集成SPWM控制器；如HEF4752V等；将振荡器、比较器、运放等集成于单片IC内部；大大简化了系统设计；系统可靠性也大为提高；随着高速单片机和低价位DSP控制器的出现；数字化中频电源开始广泛使用；与此同时还出现了可编程数字化SPWM发生器，如SA838等；进一步简化了系统设计；提高了系统可靠性。但是所有这些控制方案在构成一个完整的电源系统时都需要至少三路隔离电源；电源体积很难进一步减小。

　　美国APEX公司结合电力电子技术和功率放大器技术设计生产了脉宽调制功率放大器；该系列放大器将振荡器、PWM发生器、死区发生器、自举驱动器、IGBT和续流二级管、过流/过热保护等功能部件全部集成一体；使其成为一个完整的PWM功率放大器；使用者只需按要求提供所需的模拟调制信号；经放大器后将输出基波为调制信号的高频高压SPWM信号序列；再经高频滤波后就可得到幅度和功率均放大的调制信号。若将放大器和滤波视为一个整体；其功能就等同于传统线性功率放大器；但其效率却高得多。

        PWM功率放大器代表型号SA08典型参数：
        功率输入电压16～500VDC；单相全桥输出；最大输出电流20A；最大传递功率10KW；内部振荡及控制电路实现22. 5kHz的开关频率；模块效率高达98%；具有内部过流和过热保护；同时提供用户外部限流设置和关断功能；MO-127封装；工作温度范围- 55～125℃。

        SA08外观和引脚分布图见图1；内部功能图见图2 。 

        由于将振荡电路、控制电路、驱动电路和功率器件全部集成于模块内部；SA08的可靠性大为提高；且接口非常简洁。样机电源以SA08为核心；由整流电路、辅助电源、中频信号发生器、反馈控制电路和输入输出滤波电路等部分构成。原理图见图3。

        单相220V AC电压一路经整流桥整流滤波后作为SA08的功率电源；另一路经AC/DC转换、共模抑制后作为控制电路和SA08辅助电源；信号发生器产生频率400Hz；幅度可调的正弦信号；信号发生器通过优化电路设计和选用低温漂元件实现输出频率的稳定；控制电路对输入指令信号进行偏置、放大、PID及滤波处理、输出限幅等；最后作为SA08输入信号控制其功率输出。过压保护和过流保护也通过控制电路实现；SA08输出的高频高压SPWM波经LC滤波器后供给负载；反馈电路直接从负载上进行电压电流取样；确保控制的精度。 

        图3　系统原理图

关键技术的解决

        窄脉冲含有丰富的频谱；且其频谱与其脉冲宽度大体上成反比关系：脉冲越窄；其频谱越丰富。对于一个幅度达280V、频率为22. 5KHz的SPWM脉冲序列；它对其周边电路的干扰是非常严重的。同时；功率器件的高速开关而产生的巨大电压变化率du/dT和电流变化率di/dT将通过杂散电容和引线电感对供电电源和控制电路产生难以估计的影响。因此；如何实现系统内部强弱电之间的电磁兼容便成为关键技术。

        电磁兼容从实施途径来讲主要有接地、屏蔽和滤波三种方法。在理论分析的基础上；通过大量实验；找出了系统中的敏感回路、敏感元件和敏感点；并针对性的采取滤波、严格接地、合理布局与布线等措施。

        首先；在整体布局上按照强弱电分离的原则；将信号发生器、控制和保护回路等与功率电路分开布局；其次；按照信号流和功率流进行局部布局和布线；使其流畅无交叠；输入输出分离；同时；布线严格遵循环路最小原则；第三；将发热器件贴近机壳布置；对温漂有严格要求的元器件远离发热器件；第四；电源充分解耦。高频SPWM波由于含有丰富的高频谐波成份；所以功率电路和弱电电路需要严格的高频解耦；第五；严格接地。功率地和弱电地分离布线；严格消除大的接地环路；同时保证功率地接地阻抗的连续性。

试验结果

        对一台中频电源样机进行系统的试验；样机达到了如下主要性能指标：
        考虑到以下的一些因素：注意AP摆放的物理位置、AP的控制和管理、用户身份验证和计费管理、简化网络安全管理、不能让非专业人员构建无线网络。

( 1) 电网调整率：输入187 ～ 242VAC , 输出115V ±3 %
(2) 负载调整率：输入220VAC ,负载0A～1A , 输出115V ±3 %
(3) 输出频率400Hz ±0. 5 % ,波形失真度≤ 2 %
(4) 具有过流保护、过压保护和过热保护等功能
(5) 体积:160 ×97 ×45 (mm3)

结论
        
        采用新型功率器件和控制技术，实现了中频电源小型化和高性能的技术要求。样机体积缩小为同等电气指标的传统中频电源的五分之一，元件数量减少为原来的二分之一。该新型中频电源体积小、重量轻、噪声小、响应快、失真度小、可靠性高,具有较强的实用价值。