高效大功率中頻靜變電源系統設計

鄭開明

【摘要】靜變電源目前廣泛應用在艦艇設備，工業控制設備以及航空相關設備之中。其頻率一般為400Hz、500Hz，向上還有10KHz以及更高頻率的型號。作為電源供電使用時主要為400Hz，這也是本文所要討論的頻率，即400Hz中頻靜變電源系統設計。由于靜變電源整個系統實現起來頗為復雜，本設計主要是針對主電路的結構進行分析，重點放在以單片機89C51為核心的靜變控制電路的設計以及實現改進型重復控制算法。

【關鍵詞】中頻電源 數字控制 改進算法

一、SPWM的原理

SPWM技術作為一種現代先進的變頻技術，它的作用就是通過按照事先設置好的規則來操控系統中的開關類元器件的接通和斷開，如此一來，就可以輕松獲取一組幅度相等但寬度不等的形狀為矩形的脈沖波形，利用它來生成系統所指定頻率的形狀為正弦形狀的電壓波。本設計便采用這項先進的技術來研究設計400Hz中頻靜變電源，這項先進的技術帶來的好處是：完成的電源系統在狀態正常的情況下相對于傳統的多環節類型的中頻靜變電源可以達到更高的性能指標，即得到更純凈，更穩定的電流和電壓。

二、SPWM波形發生器

作為Mitel公司專門為設計三相靜變電路而開發的新型SPWM波形發生器，它能夠產生純正弦波，即波形完全與正弦型相匹配的一種波，在設計之初，SA8282就具備了通過外圍電路來和DSP單片機做組合的機會。兩者組合而成的系統為數字化操作系統，具有出色的抗干擾能力以及良好的通用性，簡單的接口便于系統的升級和改造。在不改變基礎電路的前提下，利用軟件方式就可以修改電路元器件的主要參數，來調整靜變器的性能指標，如此一來，調試效率得到了極大的提高，產品的成品得到了有效的控制。

三、單主電路結構

本系統主要由下面1、2、3三個部分組成，來實現將220V/50Hz的交流電變換成115V/500Hz的交流電。具體結構如下圖所示：

（1）第1部分（PFC boost）。本部分的作用是把交流電整流并通過boost電路升壓，輸出為360V的直流高壓，在控制電路控制下實現穩壓，并使功率因數為1.這一級要保證功率因數為1，同時實現穩壓的功能。

（2）DC/DC變換電路。本部分的完成將360V直流變換成180V直流，采用變壓器隔離DC/DC變換，變壓器的作用是隔離及變壓，原邊的逆變橋由四個開關管組成，副邊由四個整流管組成，對于逆變器同一橋壁開關管的控制采用互補控制，對角開關管同時導通和關斷，逆變橋輸出極性為正或者負的方波信號，正負脈沖的寬度各為50%。

（3）DC/AC變換模塊。它主要的功能是完成DCl80V至AC115V/400Hz交流電壓的變換功能。這一部分是整個逆變電源的核心部分，也是本文研究的重點部分。

該逆變電路實際上是一種Buck逆變器，即上一章所提到的雙向直流變換器，它是雙向直流變換器的一種應用，這種Buck逆變器可以看作兩個部分組成：①具有雙向電路導通能力的Buck變換器。②全橋變換電路。

雙向直流Buck變換器由Buck電路和Boost電路結合而成，圖2（a）為Buck電路，圖2（b）為Boost電路，把功率二極管換成雙向開關就形成了雙向Buck變換器，如圖2（c）所示，從而實現了能量的雙向流動。

（c）雙向直流Buck變換器

四、軟件設計

系統開始運行時，89C51單片機向SA8282發出初始化命令和控制命令。重點需要設置的參數有頻率調節范圍區間、dead Zone時間、輸出電壓的幅值大小、輸出信號的中心頻率等。SA8282三相與三相變頻專用信號產生器之間存在相位差，大小為120°，這不符合靜變電源設計要求中知A與B相位相差為90°的描述。較為普遍的調制方法是在外部另接電路，來調整相位。這樣實現起來不僅增大的系統的體積，增加了系統的復雜性，不符合模塊的的設計初衷，同時由于外部電路不可避免會存在溫漂現象等因素干擾因素，對相位的穩定性造成干擾。為了避免這種情況，這里采用了一種新型的設計，即同時使用兩塊SA8282芯片，分別輸出三個相位。簡單來說，我們先通過89C51單片機發出指令，讓第1片SA8282輸出A相和C相。經過為時0.625ms的延時，89C51單片機再向第二片SA8282發出指令，讓其輸出B相。這樣一來就實現A、B兩相相位差就可以調整為90°。通過軟件方法來代替傳統的外接電路方法，電路結構得到了改善，同時又實現了。

五、結束語

400Hz高效大功率靜變電源主要應用在航空、車船等領域之中，顯而易見的，這些領域對安全性的要求非常高，所用到的靜變電源必須滿足高規格的要求。為了滿足生產生活中對電源性能指標的要求，針對靜變電源，本設計中提出了一種型新穎的數字化設計方法，針對傳統方案提出了數條改進措施，主要包括以下三條：電路的重新設計、對控制電路做數字化改造以及采用重復型控制算法。