模拟有源滤波器的电路设计

 引言

有源电力滤波器(APF)是一种用于动态谐波抑制和功率补偿的新型电力电子装置。它能对大小和频率都变化的谐波以及变化的无功进行补偿。与无源滤波器相比，有源电力滤波器具有更高的可控性和快速响应性，本文提出了一种基于全模拟器件的有源滤波器的设计思路。其各个主要部件的输入量及输出量都是连续变化的电压、电流等物理量。该方案由若干种作用及数量不同的加法器、乘法器、函数产生器以及各种分离元件等组成。另外，使用模拟器件来实现可以很容易地集成为芯片。有源电力滤波器谐波检测及控制等电路集成为芯片后，使用起来就更加方便、灵活、结构简单。这样就能达到更好地推广有源电力滤波器的目的。

1 模拟有源滤波器的结构原理

本有源电力滤波器系统由指令电流运算电路、控制电路和补偿电流发生电路三大部分组成。其中指令电流运算电路的功能是从负载电流i1中分离出谐波电流分量及基波无功电流分量，然后将其反极性作用后产生补偿电流的指令信号。电流跟踪控制电路的功能是根据主电流产生的补偿ic应跟踪的原则，来计算主电路各开关器件的触发脉冲。此脉冲经驱动电路后将作用于主电路，并产生补偿电流ic。图1所示是并联型有源电力滤波器的原理框图。

基于全模拟器件的有源电力滤波器同样也是由图1所示的这几个部分组成，只是其各个部分都是由模拟器件构成。现分别对电路各个部分进行介绍。

2 谐波信号检测电路

采用ip、iq谐波检测法，谐波信号检测电路可由乘法、加减法以及低通有源滤波电路组成。通过模拟器件获取单相谐波参考电流的ip、iq法所实现的单相谐波检测的原理框图如图2所示。

由于本滤波器是基于全模拟器件的，其电路全部由常规电路元件构成。故此滤波器的性能也受到元件的温度漂移、长期稳定性、相移等因素的影响。因此，元件的选型对于本有源电力滤波器尤为关键。

现代模拟电子器件的宽频带而言，有源电力滤波器对带宽要求不高。如要求能滤除50次谐波则其带宽要求为50x50 Hz=2．5kHz。AD632、AD633、AD534等加法器的带宽、输入及满功率输出范围相当。本文在乘法器电路中选用AD633乘法器。

AD633乘法器的误差包括输入输出偏移、放大倍数误差和乘法核的非线形误差。输入偏移随温度变化曲线显示，-40℃～+40℃的偏置电流范围为420 nA～580 nA。放大倍数误差在满额时的典型值为0．25％。AD633资料给出的总的误差典型值为1％，最大值为2％。

系统中的运算放大器选用高精度低漂移低噪声集成放大器OP07。该放大器的输入偏移电流为1nA、偏移电压为30μV、-3dB带宽为600kHz、静态耗散电流为4 mA、电压温度漂移为0．2μV／℃。

获得很高的带宽，也意味着会带来高的功耗。而且，在单相全模拟有源电力滤波器使用高带宽的运算放大器也同时会引入高频噪声。单相全模拟有源电力滤波器的信号频率不超过3 kHz。型号为OP07的运算放大器的截止频率为600kHz，故能很好地满足有源电力滤波器的要求。

运算放大器的误差主要由输入失调电压、输入失调电流以及等效输入噪声等引起。当前运算放大器的性能已经得到很大的改进，其各项性能指标十分优异。以高精度低漂移低噪声集成放大器OP07为例，其输入偏移电压为μV级，输入漂移电流和输入偏置电流为nA级，因此，对于±10V电路工作电压，完全可以忽略。

运算放大器电路的最终精度和稳定性与其电路中的无源元件的精度和稳定性具有对应的关系。本硬件选择好的电容和电阻关系到该电路的整体性能表现。

电容的类别也是多种多样。该滤波器电路中使用的电容主要是要求其频率特性较好，温度系数小，长期稳定性好。聚苯乙烯电容的损耗较低、体积小，容量相对时间、温度、电压都很稳定。

电阻有绕线电阻、金属箔电阻、金属膜电阻、金属氧化膜电阻、碳膜电阻、碳实芯电阻、厚膜电阻、薄膜电阻、金属釉质电阻等。常用的是碳膜、金属膜以及碳质线绕电阻。本电路选用金属膜电阻，该电阻是在真空中加热合金，并使合金蒸发，从而使瓷棒表面形成一层导电金属膜。刻槽和改变金属膜厚度可以控制电阻值。该电阻体积小、噪声低、稳定性好，当然成本也较高。

3 PWM控制电路

由于现在没有专门为有源电力滤波器而设计的脉冲发生集成电路，所以，现在的研究与设计主要是利用一些现有的脉冲发生模块来产生脉冲波，从而实现有源电力滤波器的控制。

美国通用公司的SG3525 PWM脉冲控制电路目前已经在很多领域得到了很好的应用。本文将它试用在有源电力滤波器中，并将其作为模拟集成电路中比较有代表性的一种。SG3525是美国通用公司的产品，是专为开关电源设计的脉冲发生电路，它的输入电压范围是1～3．5 V，而本文中的输入信号是交流信号，故须经过变换。可先经过精确绝对值电路将输入信号变成正信号，再通过电平移动电路使输入信号在1～3．5 V之间。图3所示是采用SG3525实现的PWM电路框图。其中绝对值电路所采用的精密全波整流电路如图4所示。图4中，R取20kΩ，为1％精密电阻；二极管选用超快速恢复二极管，其反向恢复时间为50 ns。图5所示是本滤波器的逻辑控制电路实现框图。