基于DSP的中頻電源的設計與研究

周超 呂娟 席澤敏

（1. 海軍工程大學 電子工程學院，武漢 430033; 2. 長江工程職業技術學院，武漢 430033）

1 引言

400 Hz中頻電源作為現代艦船中的一種重要供電電源，是一種能夠將工頻電能轉變為中頻電能的變頻裝置，其頻率變化范圍可以不受電網頻率的限制，為雷達、聲納、通訊設備等眾多精密電子類負載提供高品質電能的重任。與傳統的變頻發電機組相比，中頻電源有效率高、噪聲低等優點，供電性能指標也隨著電力電子技術的進步最終超過機組電源。因此，本文設計了基于DSP技術的靜止中頻電源。它采用基于 DSP 的實時數字 PI 調節器，實現整個電路系統的穩態和暫態特性，最終輸出諧波含量極少的 400 Hz正弦波。

2 中頻電源電路設計

2.1 逆變系統的基本結構[1,5]

逆變的直接功能是將直流電變換成交流電。逆變系統的核心是逆變電路，通過電力電子開關的導通與關斷，完成逆變的功能。電力電子開關器件的通斷，需要一定的驅動脈沖，這些脈沖可以通過改變電壓信號來調節，產生和調節脈沖的電路通常稱為控制電路(或控制回路)。在逆變電路中，除了逆變電路和控制電路之外，還要有保護電路、輔助電路、輸入電路和輸出電路，如圖1 所示。

圖1 逆變系統的基本結構框圖

2.1.1 輸入電路

當輸入電源為工頻交流電時，輸入電路由整流電路和濾波電路兩部分組成。為此，可以保證逆變電路的輸入為較為穩定的直流電。

2.1.2 逆變電路

逆變電路是整個逆變系統的核心部分，由逆變開關器件（這里采用IGBT模塊）組成全橋電路，完成直流電到400 Hz中頻電的逆變。

2.1.3 輸出電路

輸出電路一般包括輸出LC濾波電路和中頻隔離降壓變壓器。利用LC濾波電路對逆變后的中頻電進行開關頻率附近諧波的濾波，再由隔離降壓變壓器的漏抗進行進一步濾波，并且對輸出電壓進行降壓，得到滿足實際需要的穩定400 Hz中頻電壓。

2.1.4 控制電路

控制電路由電壓采樣反饋電路、觸發驅動電路組成，實現對逆變電路中開關器件的控制。在逆變系統中，控制電路和逆變電路同樣重要。它先通過采樣輸出電壓，再由DSP技術實現PWM多路輸出，由觸發驅動電路對PWM信號進行隔離放大，將放大后的PWM信號作為逆變電路的開關器件的觸發信號，實現整個逆變過程，最終實現400 Hz中頻電壓的穩定輸出。

2.1.5 保護電路

保護電路包括輸入欠壓、過壓保護電路，輸出欠壓、過壓保護電路，過載保護電路，過流保護電路。

2.1.6 輔助電路

輔助電路的功能是將逆變器的輸入電壓變換成直流電壓。為控制電路提供合適的穩定直流電壓，保證控制電路的正常工作。

2.2 中頻電源的主電路及工作原理

2.2.1 中頻電源主電路

主電路如圖2所示。

2.2.2 中頻電源工作原理[2]

圖2 中頻電源主電路

工頻交流電壓經全橋不可控整流電路整流后，輸出到濾波電路，由濾波電容C1對直流母排上的直流電壓進行濾波，濾波后供給逆變電路，逆變開關器件（IGBT）V1、V2、V3、V4在驅動信號作用下，由正弦脈寬調制技術將直流電壓變成400 Hz的中頻交流電壓，經濾波隔離降壓后供給負載。

3 中頻電源單相逆變電路的數學模型[4]

圖3是帶LC濾波電路的400 Hz單相全橋逆變等效電路。其中R是等效電阻，它綜合考慮了濾波電感L的等效串聯電阻、死區效應、開關器件導通壓降、線路電阻等逆變電路中的各種阻尼因素，U是逆變橋輸出電壓，I是負載電流。假設開關器件工作在理想狀態，可以采用狀態空間平均法來得到逆變電路的線性化模型。

圖3 單相全橋逆變等效電路

選擇電容端電壓U和電感電流IL作為狀態變量，將I看作為逆變電路的一個外部擾動輸入量，可以得到逆變電路的狀態方程為：

其中：x= [ULI]T，u=[U I]T，y=U，

由狀態空間平均模型可以推導出雙輸入同時作用時系統的s域輸出響應關系式：

4 中頻電源的仿真分析[3]

為了驗證上述理論分析的正確性，采用MATLAB中的Simulink建立中頻電源仿真模型，如圖4所示，并進行仿真分析。

由仿真模型仿真得到任意一相的輸出電壓，并由fft分析得到仿真結果，如圖5所示。

由圖5可得，輸出電壓為400 Hz的中頻電壓，并且電壓的THD=2.99%。因此，由本文設計的逆變系統對工頻電壓進行變頻后，可以得到諧波含量較少的400 Hz中頻電壓。

圖4 中頻電源仿真模型

圖5 輸出電壓的fft分析圖

5 結束語

本文介紹了基于 DSP技術中頻電源的簡單實現方法，分析了中頻電源的工作原理，同時建立了數學模型。由仿真結果表明：

（1）本文設計的中頻電源能較好的實現 50 Hz工頻電壓到400 Hz中頻電壓的轉變；

（2）中頻電源中逆變后的濾波電路能夠較好地實現對逆變后開關頻率的濾波。

設計的基于DSP技術的中頻電源在艦船、航空、航天等領域具有一定的推廣應用價值。

[1]王小雙，趙靜. 基于DSP的三相航空中頻電源的設計[J]. 通信電源技術，26（4）：49-51.

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