一种灵活的可编程三相开关功率放大器

Abstract:The principle of three-phase four-leg switching power amplifier and its application in relay protection test are introduced. This topology realizes the decoupling of each phase by the fourth leg to handle the neutral current. Experiment results show the structure of the circuit is simple,the amplitude, frequency and phase of each output can be regulated easily. 

Keywords:Switching power amplifier; Programmable; Three-phase four-leg inverter 

1  引言

    电力电子技术的发展，尤其是逆变技术和高速全控型的功率开关器件（IGBT、MOSFET）的发展，使得采用电力电子技术构成的开关功率放大器在仪器仪表校验、电量变送器校验、继电保护测试中的应用成为可能。开关功率放大器具有高效、可靠、功率大、易数字控制、任意波形发生等功能。三相四桥臂开关功率放大器由于引入了第四桥臂，从而形成三个独立的全桥电路，因而能够实现三相输出的独立调整。本文提出的第四桥臂采用固定开关频率、固定占空比的控制方法，简化了控制电路，同时也提高了系统的可靠性。

    微机型继电保护测试装置由于体积小、重量轻、测试方便可靠、便携等优势逐渐取代了模拟式的继电保护装置。其主体由数字波形发生器、功率放大器、反馈检测电路、通讯端口等组成。精密三相测试电源则是继电保护装置的主体，功率放大电路传统上采用线性功率放大电路，但其效率低、体积大而笨重。继电保护测试装置中主要有三相电流源和三相电压源，它们均要求能够独立地调整输出电压和电流的幅值、相位、频率，对电流源还要求三相能够合并输出大电流。采用三相四桥臂的开关功率放大器能够方便地实现三相电源的各种功能，如谐波叠加、移相、各类故障模拟等。

2  开关功率放大器的原理

    三相电压、电流源由三相四桥臂的逆变器构成，其主电路结构如图1所示。通常对三相不对称负载中线流过的电流采用电容器串联构成中点，这样做只能解决比较轻的不对称负载，对于严重不对称的负载（如三相同相），则由于电容器的容量需要选得非常大而不切实际。三相四桥臂逆变器通过引入第四桥臂来实现对中线电流的调节，使得电路变成了三个完全独立 的 单 相 逆 变 器 。 因 此 ， 第 四 桥 臂 的 控 制 成 为 关 键 ， 通 常 对 第 四 桥 臂 的 控 制 方 法 都 比 较 复 杂[1－3]， 本 文 对 第 四 桥 臂 的 控 制 采 用 固 定 占 空 比 的 控 制 方 法 。 以 其 中 一 相 为 例 来 说 明 开 关 功 率 放 大 器 的 工 作 原 理 。

图1  三 相 四 桥 臂 逆 变 器 主 电 路 拓 扑

    当逆变电路一桥臂以SPWM（正弦波脉宽调制）方式工作，而另一桥臂以固定的50％占空比工作时，与一般的单相双极型和单极型逆变器相比，这种方式工作下的逆变器在一个开关周期内有三个电平输出状态，而不是两个（参见图2）。假设开关频率远大于调制波的频率，则可认为在一个开关周期内输出电压的幅值基本不变。这样在一个开关周期内，电路经历了四个工作状态。电路工作状态分析如下：

(a)  双 极 型SPWM输 出 波 形

(b)  单 极 型SPWM输 出 波 形

(c)  三 相 四 桥 臂 一 相 输 出 波 形

图2  几 种 逆 变 电 路 输 出 电 压 比 较

    状态1[t0～t1]    S3、S2开通，电感上的电流增加，此时由电源向负载提供能量。此时电路满足Edc－Vo=LdiL/dt。

    状态2[t1～t2]    S2关断，D1导通，此时负载电流通过S3、D1进行续流。此时满足－Vo=LdiL/dt

    状态3[t2～t3]    S3关断，S4开通，由于负载电流方向没有变，所以S4的反并二极管D4导通，负载向电源侧回馈能量。此时有Vo－Edc=LdiL/dt。

    状态4[t3～t0]    S1关断，S2导通负载继续处于续流状态，等待下一个开关周期。此时电路满足－Vo=LdiL/dt。

    图3示出了输出负载电流在远大于零和过零附近情况下的电感电流波形。电感上的电流纹波最大发生在电流过零处，为

        ΔI=Edc/4fL   （1）

(a) 输 出 电 流 大 于 零

(b) 输 出 电 流 在 过 零 附 近

图3 电 路 的 工 作 波 形

    根据对输出电压的频谱分析可知，其谐波主要分布在开关频率边频带和开关频率谐波边频带上，而开关频率通常都很高，因此很容易被滤波器滤除而只剩下调制波。如果调制波是正弦波，其滤波后的输出电压可以表示为：

       Vo=mEdcsinωt  （2）

式中：Edc为直流母线电压；

      m为正弦调制波和三角载波的比值。

    如果调制波不是正弦波，则输出电压可以表示为：

     Vo=Vref(t)     （3）

式中：Vc为三角载波的幅值；

      Vref(t)为要放大的参考信号。

    由此可以看出当给定信号所包含的频率比较低

（远低于开关频率）时，逆变电路对给定调制波是起放大作用的。如果在电路中需要进行直流偏置，只需要在调制波Vref中增加直流分量即可。

3  三相电压源的实现

    在三相四桥臂开关放大器拓扑的基础上实现三相电压源，图4是三相电压源的结构框图。它主要包括主电路、辅助电源、单片机波形发生、保护电路等。电网电压经过整流、滤波后再经半桥DC/DC变换器后，产生高质量的直流母线电压。输出直流电压的大小是受控于单片机的，由单片机根据逆变输出的大小而提供相应的直流母线参考电压。根据式（1）可知，降低直流母线电压就可以保证在小电压输出时有着较低的开关纹波。逆变级控制上采用电压外环、电流内环的双环PI调节的SPWM控制方案。三相输出的参考信号通过文献[4]的方法由单片机给出高精密的三相参考基准信号，三相采用独立的控制电路，因而实现了三相电压源的频率、幅值、相位的独立调整。第四桥臂上下桥臂之间的占空比要严格一致，这样保证中线的输出电压是50％严格对称的。

图4  三相电压源的结构框图

(a)  

(b)

图5  实 验 波 形 图

4  实验结果

    三相电压源的技术指标如下：

    交流输入    AC220（1±20％）V；

    直流母线电压    40－400V；

    输出电压    2－100V（有效值）/相；

    输出频率    0－1000Hz；

    输出功率    50VA/相。

    图5(a)是A,B两相输出不同相位（相差60°）而C相输出不同频率（200Hz）的波形，图5(b)是其中一相输出三角波和叠加三次谐波的波形。输出纯正弦电压波形THD在TektronixTDS210示波器上分析，50Hz时为0.750％，400Hz为1.382％。从实验结果可以看出三相之间的幅值、相位、频率可以方便地独立调节，而不会产生相互之间的影响。该电路结构简单、输出稳定可靠，并且具有良好的性能，能够满足在继电保护测试中的应用。

5  结语

    本文分析了一种三相四桥臂开关功率放大器的原理，并在此基础上实现了用于继电保护测试需求的三相电压源。第四桥臂采用简单的固定占空比控制，三相采用电压电流双环PI调节。调节给定信号的幅值、频率、相位从而实现对三相电源的输出进行灵活控制。把波形的点数存储在RAM中则可以达到对输出波形的可编程。该电路能够实现三相之间的完全独立，所以在此基础容易实现多相逆变电源。

参考文献

[1]  阮新波，严仰光.四桥臂三相逆变器的控制策略[J].电工技术学报，2000,(2).

[2] V.Himamshu Prasad.Analysis and Comparison of Space Vector Modulation Schemes for a Four-Leg Inverter[C].Conference Record of IEEE APEC 1997.

[3] Richard Zhang.A Three-Phase Inverter with a Neutral Leg with Space Vector Modulation[C].APEC′ 1997 Conference Proceedings.

[4] LU? Zhengyu.A Novel Scheme of Singal Generating for High-resolution AC Power Supplies[C].PEDS′ 2001 Conference Proceeding.