逆变进一步普及 模块化逆变电源的设计与应用

1 引言

目前,逆变技术已在国民经济的各个领域中得到了极其广泛的应用,国内外许多公司已能生产技术成熟的标准逆变电源,这些产品实现的功能较多,性能较好、可适应较复杂的负载情况,但控制方案较复杂、体积较大、价格昂贵,适于实验室、车间的集中供电。在逆变技术的进一步普及应用中,越来越多的产品、设备要求逆变电源象直流电源一样模块化,并成为该产品、设备的一部分。通常在这种场合对逆变电源要求容量较小、负载单一、并控制体积和成本,显然再采用标准逆变电源的方案就不合适了,这需要仔细考虑系统方案,简化控制,在保证性能指标的同时,减小体积,降低成本。

本文以某新型鱼雷定向陀螺用的模块化逆变电源为例,介绍模块化逆变电源的设计与应用情况。本例的负载为感性,输出电压有个切换过程,在要求输出电压固定的场合,去掉电压切换部分即可。

本模块电源为三相400Hz逆变电源,24VDC输入,要求输出电压在通电30s内为68V,此时负载电流为3A;30s后,陀螺的起动过程结束,要求输出电压无间断地切换为36V,并提供1A负载电流,稳压精度2%,输入输出隔离。模块外形尺寸不大于120mm×130mm×50mm。

2 系统设计

在模块电源的研发过程中,系统设计直接决定产品的最终性能。现采用以下方案构成SPWM型逆变器,系统框图见图1。

2.1 控制方案

模块化逆变电源的负载一般已知,其特性也不复杂,没有进行实时计算的必要,因此采用查表法是很合适的,将控制波形的SPWM数据事先计算出来,存入ROM中,这样可使控制部分得到最大程度的简化。调节直流母线电压可以进行输出电压的控制,虽然这种方式不利于三相分相控制并有一定滞后,在大容量逆变器中不常见,但在三相平衡负载场合,是完全可以满足要求的。所以,本系统实际采用了PWM、PAM两种控制方式。控制部分是系统的关键,本文将做详细介绍。

2.2 主电路设计

主电路需将24VDC输入变换为较高的、可调节的直流母线电压,选择性能优良的DC/DC模块,可缩短设计周期、提高产品可靠性。

DC/DC模块选用VICOR产品。该产品采用了ZCS/ZVS(零电流/电压开关)技术,突出优点是高效率、高功率密度、高可靠性、低电磁干扰;同时,可以利用其I/O隔离的特性实现系统的隔离。若使用两只24V变48V、输出150W的VICOR模块,输入并联,输出串联,可获得96V的直流母线电压。

(1)检验功率不计各处损耗,最大输出功率为68×3=204VA两只模块可输出功率达300W,可以满足要求。

(2)检验电压正常工作输出36V时,若直流利用率为0.7,调制度为最大值1,则需直流电压36/0.7=51.5V输出68V时,若直流利用率仍为0.7,调制度为最大值1,则需直流电压68/0.7=97V这是空载时所需的直流电压,当带重载时,因线路阻抗和系统输出阻抗的存在,所需的直流母线电压更高,所以必须采取措施提高直流利用率。计算SPWM数据时,可适当地过调制,并在电路中稍微加大滤波,就可达到目的。

逆变桥使用MOSFET构成三相逆变全桥,滤波网络中的电容采用三角形连接以加强滤波作用。2.3 保护与控制电源

当有异常情况出现时,有两种方法切断输出,一是封锁控制数据,如选择ROM数据全为零的空页,此法方便快速;二是断开直流母线电压,此法有利于负载的安全,这里选择后者。VICOR模块的GATEIN端是其功率提升同步端,也是该模块的使能端,拉低该端电压即可关闭模块(Isink=6mA),它以-IN端电位为基准,故检测的过流、过压信号均须以光耦与之隔离。

控制部分已相当简单,电源功率很小,采用线性三端稳压器即可。除简便外,还有可靠、电磁干扰小的优点。固定一只模块的输出电压以获得控制电源,而调节另一只来控制系统输出电压的幅值。

3 PWM波形控制

在ROM中的PWM数据是线计算的,灵活性较大。采用SPWM方法之一的规则采样Ⅱ法计算数据,可比较准确地得到开关器件的导通、关断时间,其原理误差与存储数据时取整带来的误差相比可以忽略。计算程序的入口参数主要有三个：载波频率fc、调制频率fm和调制度M,其中调制度代表预期的输出幅值。输出电压切换前后的幅值相差很大,不能使用一个调制度,所以在ROM中存储两组数据(每组2k字节),通过控制高位地址线实现电压切换。前面2.2节述及,起动阶段输出68V时,需适当的过调制,此时,SPWM就近似为梯形波比较调制,使直流利用率提高;而正常工作输出36V时,直流母线电压绰绰有余,调制度较低,谐波含量将很少。

规则采样Ⅱ法的原理如图2所示,在三角载波的负峰值时对正弦调制波采样,得到图中E点,采样电压为urE=MsinωCtE。E点水平线在三角波上截得A、B两点,两点间的时间就作为SPWM波在该载波周期的脉宽时间t2。由相似三角形的比例关系可得下式：

脉宽时间(1)

间隙时间(2)

T