模块化逆变电源的设计与应用

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。

关键字：模块化逆变电源VICOR模块查表法规则采样Ⅱ法SPWMPAM

On Design and Application of Modularized Inverter

Abstract: In this paper, the application occasion and the design consideration of modularized inverter is discussed. The whole process of design is introduced by taken a modularized invert supply of a orienting whirligig as an example.

Keywords: Modularized inverter， VICOR module， Table searching method,Regular sampleⅡ , SPWM, PAM

中图法分类号：TN86文献标识码：A文章编号：02192713(2000)12－652－04

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。

图1系统框图

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。

图2规则采样Ⅱ法

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。

3PWM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。