一款高壓正弦波變頻逆變電源的電路設計與實(shí)現

(b)相頻特性圖

圖4 二階濾波電路的幅頻及相頻特性

這是一個(gè)二階濾波電路，其傳遞函數的幅頻和相頻特性示意圖如圖4所示。由圖4可見(jiàn)，對同樣幅值的輸入電壓，頻率由小到大變化時(shí)，其輸出響應先變大，到某一個(gè)最高點(diǎn)后，再逐漸變小。這意味著(zhù)主電路的增益在頻率變化時(shí)會(huì )劇烈變化，給控制電路的設計帶來(lái)不便。由相頻特性可見(jiàn)變壓器相當于一個(gè)滯后環(huán)節。

由以上分析可知，由于漏感和雜散電容的存在，高壓高頻變壓器在電路中的增益隨頻率的變化而變化，且容易出現諧振現象。以某高壓高頻變壓器為例，實(shí)際測量該變壓器的參數為：Ls=0.8H，Rs=25Ω，Cs=5000pF。則其諧振角頻率ωo=15.8×103rad/s，對應的諧振開(kāi)關(guān)頻率fo=2.5kHz，品質(zhì)因數Q≌500。在頻率約5～10kHz范圍該變壓器增益極大，須將輸入電壓降得很低才能得到所需輸出，很容易造成輸出過(guò)壓。而過(guò)了10kHz頻帶后，增益迅速衰減，須將輸入電壓升得很高才能得到所需輸出，在20kHz頻率下會(huì )出現電壓傳遞不到副邊的現象。

因此，在高壓高頻變壓器的繞制過(guò)程中，應注意減少其漏感以提高諧振頻率?？刹捎脺p少繞組匝數，原副邊緊密耦合，應用高密度絕緣材料等辦法解決該問(wèn)題。

本文采用一對U型非晶合金作為高壓高頻變壓器的磁芯，這種材料的飽和磁密可達1T，且磁導率較高，在設計變壓器時(shí)可不加氣隙，使漏感減到最小。

經(jīng)過(guò)重新處理后的高壓變壓器參數為：Ls=0.08H，Rs=55Ω，Cs=3500pF，其諧振頻率為fo=9.5kHz，可基本滿(mǎn)足需要。

(a)輸出電壓波形(5kHz)

(b)輸出電壓波形(10kHz)

圖5 不同頻率時(shí)的輸出電壓波形

應該指出的是，DC/AC部分輸出的方波經(jīng)LC和變壓器濾波后雖然能得到正弦波，但不同的頻帶濾波效果是不同的。方波由基波和一系列奇數次諧波組成。在低頻時(shí)，諧波頻率也較低，由圖5(a)可見(jiàn)諧波的衰減較小，造成輸出正弦波的正弦度不是太好，而高頻時(shí)，諧波頻率較高，衰減很大，使變壓器可以輸出標準正弦波。如圖5(b)所示。

2、輸出交流頻率的控制

對輸出頻率的控制是通過(guò)改變SG3525芯片的調制頻率來(lái)實(shí)現的。SG3525的腳3(SYN)是輸入同步端，由80C196的HSO口輸出的頻率可調的脈沖經(jīng)緩沖后送入該腳，即可改變SG3525的振蕩頻率，從而實(shí)現輸出頻率的改變。如圖6所示。

圖6 SG3525頻率控制示意圖

3、輸出交流幅值的控制

對交流輸出電壓幅值的控制可采用開(kāi)環(huán)或閉環(huán)控制的方法，開(kāi)環(huán)控制比較簡(jiǎn)單，容易實(shí)現，且可靠，但精度不高，對負載和電網(wǎng)的波動(dòng)敏感。因此，本例采用閉環(huán)控制以實(shí)現對交流輸出幅值的控制，如圖7所示。電壓反饋值和輸出給定值進(jìn)行比較，并經(jīng)SG3525內部的運放放大后，得幅值可變的直流電壓。該電壓與內部三角波比較后，可控制SG3525的輸出脈寬的大小，改變DC/DC輸出電壓值，從而改變DC/AC的輸出電壓幅值。

圖7 交流輸出幅值控制電路示意圖

4、恒流電路的設計

本文所設計的電源是一個(gè)電壓源，但在實(shí)際使用過(guò)程中可能會(huì )出現需要限制輸出電流的情況，因此，設計了一個(gè)恒流環(huán)節。電流給定和電流反饋信號比較放大后，經(jīng)二極管隔離后送入SG3525的腳8(SS)。腳8正常電壓約+5V，當其電壓降到+5V以下時(shí)，輸出脈寬就開(kāi)始被縮短，當電壓再低到一定程度時(shí)，脈沖輸出將被封鎖。因此，可將此恒流電路看成是一個(gè)電流外環(huán)，正常運行時(shí)，電流給定值大于電流反饋，PI調節器飽和，不影響SG3525的使用；當電流反饋大于電流給定時(shí)，PI調節器輸出開(kāi)始下降，將腳8電壓拉低，使SG3525輸出脈寬減少