一種多功能輸出開關電源

一種多功能輸出開關電源??

摘要：介紹了一種可以多功能寬范圍輸出的開關電源。詳述了電源的基本電路結構和控制策略，介紹了電路多功能的實現，分析了電路中可能存在的問題并給出了解決方案。最后通過試驗驗證了此設計。關鍵詞：多功能輸出；直流電源；逆變器

Design of a Multifunctional Power Supply

MA Jie, LU? Zheng-yu?

Abstract:A special design of wide? range outputting and multifunctional power supply is presented. The topology of the circuit and its control strategy are described in detail. The implementation of the circuit multifunction is introduced. The problems existing in conventional circuits are analyzed and some solutions are given to solve these problems. At last the design is verified by experiment.

? Keywords:Multifunctional output; DC power supply; Inverter?

1? 引言

??? 近年來，隨著電力電子技術的不斷發展，高頻開關電源以其高效率、高性能、低重量、小體積，在以往使用線性電源的場合中也獲得日益廣泛的應用[1]。在一些工業場合（例如，在電力系統繼電器檢測中）需要提供交流、直流電壓源和電流源，而且要求調節范圍廣，紋波低。如果采用多臺功能單一電源設備，體積和重量都會增加很多，不經濟，也不能滿足工作的要求。因此研究開發多功能、寬范圍可調節的開關電源很有意義。

??? 本電源系統采用開關電源技術和數字控制方案，可以作交流電壓源、直流電壓源、交流電流源和直流電流源，作為電壓源輸出調節范圍為1～250V，作為電流源調節范圍為1～30A，工作頻率在0～400Hz。輸出可選擇。

2? 主電路結構

??? 電源主電路如圖1所示，分上下兩部分，上部分為電壓源部分，下部分為電流源部分，每部分采用兩級結構，交流輸入整流濾波后，先經過DC/DC變換，再通過逆變器輸出。其中DC/DC采用半橋電路用來提供穩定的直流母線電壓，并隔離輸入級和輸出級。逆變部分采用了常規全橋逆變電路，適合于較大功率的應用場合。輸出采用兩級LC濾波器濾除高頻紋波。Lc1、Lc2、Lc3是共模抑制器。電壓源前后級的高頻開關動作很容易引起兩級間的互相干擾，在母線電壓比較高的時候尤其明顯。因此在兩級之間串接共模抑制器Lc1，用來隔離其相互間干擾。Lc2,Lc3接在輸出端和負載之間的，作用和Lc1類似，用于抑制高頻共模分量通過負載。所不同的是電壓源前級DC/DC采用全橋整流，電流源采用全波整流。

圖 1? 前 級 DC隔 離 電 源 與 逆 變 電 源

3? 控制原理與結構

??? 對于DC/DC級的控制，本文采用SG3525控制芯片，簡單可靠，成本低。

??? 后級逆變器采用了雙極性SPWM控制，如圖2所示。通過高頻三角波和基準正弦波的比較得到控制開關管的PWM波形。正弦基準信號的頻率與輸出正弦波相同，其幅度的變化可以調制開關的占空比D。幅度調制比ma定義為[2]

???? ma=Vsm/Vcm?? （1）

圖2? 三 角 波 與 逆 變 器 開 關 控 制 波 形

式中：Vsm是正弦基準信號峰值；

????? Vcm是三角波的峰值。

??? 逆變輸出正弦電壓峰值Vom和直流母線電壓Vd的關系為

??? Vom=ma×Vd，ma≤1（2）

??? 圖3是具體控制原理。為消除輸出諧波，電路采用了電壓、電流雙環控制，其中，Vf為反饋電壓，If為反饋電流。電壓調節環的輸出作為電流環的比較基準，電流環輸出誤差信號與三角波信號比較得到SPWM信號。由IR2110芯片構成驅動電路,由此輸出相位互補的兩路SPWM信號分別驅動四個開關管。為防止上下橋臂直通，兩路SPWM信號之間必須設置死區。保護電路起到監控Vf、If的作用，如果幅值超出閾值，保護電路將關閉驅動信號。

圖3? 逆 變 級 控 制 電 路

4? 多功能輸出的實現

??? 在此電源系統中，電壓源和電流源的控制采用同一控制電路，通過繼電器切換到不同的工作模式。電壓源工作時，繼電器K1合，K2開（如圖3所示），采用電壓、電流雙環調節控制，基準信號為正弦信號，輸出交流電壓；基準為直流電平，輸出直流電壓。電流源工作時，K1開，K2合，電壓調節環變為跟隨器，只通過電流環調節，基準為正弦信號，輸出交流電流；基準為直流電平，輸出直流電流。電壓源和電流源驅動信號切換是通過K3來實現的，在電壓源工作方式，關斷電流源的前級；在電流源工作方式，關斷電壓源的前級，這樣可以防止干擾，提高電路的可靠程度。以上的K1、K2、K3是由數控電路給出的。

5? 占空比限制與輸出交流電壓的削頂

5．1? PI調節器輸出限幅的考慮

??? 由于所采用的專用驅動芯片IR2110是通過自舉供電方式來驅動橋臂上管的(如圖4所示)。所以，在上、下管驅動信號恒低或恒高時，給上管供電的自舉電容C1能量得不到補給。當電容上的能量放完后，上管關斷，就會出現此橋臂無驅動信號，無輸出的現象。尤其是直流電壓時，常有這一現象。

圖4? 逆 變 級 驅 動 電 路

??? 在逆變器控制中，PI調節器輸出的幅度如果超過三角波的幅度，就會出現過調制的現象，此時，PWM驅動脈寬會過窄或過寬，還會使上述自舉電路工作不正常。因此，必須對占空比的最大值與最小值加以限制。

??? 具體方法是，可以在PI調節器的輸出端作一定的限幅（見圖3），使控制電路不出現過調制的情況，限制PWM的最大、最小占空比，使IR2110的自舉電容C1能及時充電。采用限幅的另一個好處是消除了由于IR2110自舉失敗導致的電路損壞，提高了可靠性。

5．2? 輸出電壓不正常削頂的消除

??? 逆變器控制電路的限幅會使輸出波形削頂。但在交流輸出未達到限幅值之前，可能首先出現明顯的單邊削頂（例如在正半波的峰值處）。主要原因是三角波不對稱，存在直流偏置，在與PI調節輸出比較時，出現一邊被限幅，造成輸出單邊削頂現象。提高母線電壓，使實際需求的占空比變化范圍縮小，可以消除輸出削頂現象。

??? 但是，隨最大占空比的下降，調制比下降更快。這會降低母線電壓的利用率，導致逆變級的容量擴大。本文的電路用低偏壓、低噪聲精密運算放大器來產生三角波，同時采用糾偏方法消除直流偏置、確保三角波的對稱性，提高了母線電壓的利用率。

??? 為確保電路正常工作，同時輸出波形不削頂，在此電路中設定最大占空比為0.85，相應的最大調制比為0.7。

6? 電流源母線電容的選取

??? 母線的電容值可以根據式（3）計算

?????? C=? （3）

式中：C是母線輸出電容；

????? Vs是前級整流輸入電壓；

????? D是其中一管導通的占空比；

????? L是母線濾波電感

????? n是原副邊繞組的匝比；

???????? ΔVc是輸出紋波電壓；

????? f為前級工作頻率。

??? 但是逆變器輸入電流并不是真正的直流電流，除直流成分外，還含有雙倍于輸出頻率的交流分量和高頻分量。對電流源在輸出電流為最大時，這些高頻分量會很大，需要母線提供很大的高頻紋波電流，所以在盡量加大電解電容的同時，應多采用高頻性能優越的電容。不僅可以滿足后級高頻紋波電流的要求，同時也可以減小后級高頻分量對前級的影響。

7? 電路實驗波形

??? 圖5是電壓源滿載下輸出200V交流有效值時的波形，波形THD<2％。圖6是電流源滿載下輸出30A交流有效值時的波形，波形THD<1％。

電 壓 ：100 V/格 ； 時 間 ：10 ms/格

圖5? 電 壓 源200 V交 流 有 效 值 輸 出 波 形

電 流 ：50 A/格 ； 時 間 ：4 ms/格

圖6? 電 流 源30 A交 流 有 效 值 輸 出 波 形

8? 結語

??? 本文電壓源和電流源兩部分的逆變級控制共用同一控制電路，通過信號切換選擇電壓源或者電流源輸出。每一部分采用前級DC/DC隔離電源與橋式逆變電路相結合，改變基準信號可以使逆變器選擇輸出交流或直流。通過嚴格控制三角波的對稱性與合理確定調制比，能確保電路的正常工作和提高母線電壓的利用率。最后通過一臺試驗樣機驗證了以上的設計。

參考文獻

[1]? 丁道宏.國內外開關電源的發展展望[C].華東地區首屆電源技術研討會論文集,2000:1－5.

[2]? 林渭勛.現代電力電子電路[M].杭州:浙江大學出版社，2002.

[3]? 張占松,蔡宣三.開關電源的原理與設計[M].北京:電子工業出版社，1999.

[4]? 李愛文,張承慧.現代逆變技術及其應用[M].北京:科學出版社，2000.