模块化逆变电源的设计与应用-电子工程世界

摘要：讨论模块化逆变电源的应用场合及设计特点，并以某定向陀螺用的逆变电源为例，介绍了模块化逆变电源的设计过程。

关键词：模块化逆变电源 VICOR模块查表法规则采样Ⅱ法 SPWM PAM

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数据是离线计算的，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)

Tc为三角载波的周期。利用式（1）可以很快地计算出各个脉冲宽度，而两个脉冲之间的间隙时间为前一脉冲的t3与后一脉冲的t1之和。

图3是产生PWM数据的程序流程：

程序中，计算某相数据的子程序是三相公用的。其中一个参数是正弦调制波相位，改变这个参数可分别计算出A、B、C数据，并且可以补偿因滤波元件参数不一致而导致的三相不平衡。

计算完各开关点时间后，将时间转换为0、1位串的字节长度，这个过程要进行四舍五入，修正值初值为0.5。但四舍五入一般会带来数字节的误差，为了保证总的字节数成整k，需要以逐次逼近方式修改修正值。

此部分电路中，一555多谐振荡器产生819.2kHz时钟，经12位计数器进行地址变换，使存储于ROM中的PWM数据周期性地输出，再由专用驱动芯片IR2110驱动MOSFET三相全桥进行逆变。

4 输出电压控制

介绍这部分前，需先对VICOR模块的调压原理进行了解，参见图4。

VICOR模块的电压调节端TRIM同时也是模块内部误差放大器的电压给定端，经一个10kΩ电阻与2.5V基准串联，此端悬空时，误差放大器的给定电压为2.5V，模块输出额定电压。由TRIM端外接电阻到－OUT端与10kΩ电阻对2.5V分压，使误差放大器的给定电压降低，模块的输出电压即被按比例地调低；由＋OUT端外接电阻到TRIM端与10kΩ电阻对输出电压分压，输出电压亦被按比例地调高。模块的输出电压调节范围是额定值的5％到110％。值得注意的是，若TRIM端电压过高，将导致模块的过压保护动作。

使模块的电压调节端TRIM随着系统输出电压有效值的变化而反向变化，即可构成负反馈闭环回路。可以看出，若将系统抽象为一闭环系统U(s)=U0×C(s)/F(s)，模块内的2.5V基准也是系统的给定值U0，负反馈环路可抽象为反馈通道传递函数F(s)。系统有68V、36V两次稳压过程，只需在切换数据页的同时相应改变F(s)中的反馈系数即可。

此部分的电路参见图5。

输出的三相电压经整流滤波后，在电位器RP1的滑臂上取得反馈电压，该电压经光耦N1隔离、反相后送到VICOR模块的TRIM端，即构成了负反馈环。这里光耦三极管等效为一个接在TRIM和－OUT端的受控可变电阻，这样有效地防止了TRIM端上的反馈电压过高。

通电后，首先＋15V经R对C充电，充电时间常数由二者的乘积决定。当C上的电压不超过稳压管DZ稳压值加0.7V时，T1不导通，集电极输出为高电平，选中ROM里存储68V数据的页面，同时，三极管T2、达林顿光耦N2导通，电位器RP2与RP1并联，这个状态对应于起动阶段输出68V高电压；当C上的电压超过稳压管稳压值加0.7V后，T1导通，集电极输出为低电平，选中存储36V数据的页面，同时T2、N2截止，RP2支路断开，RP1滑臂上的反馈电压增大，系统反馈系数也变大，输出将降低，这时对应于正常工作阶段输出36V。

这里，用PWM数据的调制度大致决定输出电压幅度。确定此参数时，断开负反馈环，VICOR模块输出额定电压，系统带满载并能输出预定电压时的调制度，就是合适的取值，经实验，68V、36V的调制度分别取为1.50、0.50。用电位器RP1、RP2可对输出电压在一定范围内微调。输出36V时，仅RP1起作用，故应先调定RP1，再用RP2对68V调节。

取样电阻值的选择很重要，选得过小，光耦会出现饱和情况，系统就会振荡；选得太大，光耦不足以导通，负反馈环起不到调节作用。

5 产品性能和应用情况

研制的电源能满足外形尺寸要求，能以简洁的电路实现并完全达到各性能参数的关键在于VICOR模块与逆变部分的巧妙配合。以下是产品的实测数据：

（1）输出电压：

稳压精度——30s内：空载：69.0V满载:67.5V

30s后：空载：36.3V满载:36.0V

频率——开机:401.5Hz带载一小时:398.5Hz

THD——输出68V空载:0.5％80％负载:3％

输出36V空载:0.2％80％负载:0.5％

三相不平衡度：<2％

（2）最大输出功率：210VA

（3）效率：65％(满载)