多功能單相逆變電源

摘要：介紹一種輸出為115V、400Hz電源的工作原理，給出了相應的電路原理圖及參數。

關(guān)鍵詞：PWM調制 逆變 諧波

1 引言

直流27V變?yōu)榻涣?15V、400Hz的逆變電源在部隊和船舶上應用廣泛，有較大需求。針對這一情況，我們研制了800VA的單相靜態(tài)逆變電源，該電源采用直流27V輸入，可以輸出115V、400Hz的正弦波電壓。并且用3臺同樣的電源經(jīng)適當聯(lián)接，在外圍電路控制下，可以作為一臺三相逆變電源使用。

目前，新技術(shù)不斷出現，構成DC/AC逆變的方法有很多。但考慮到具體的使用條件以及成本與可靠性，該電源采用了比較典型的兩級變換的方式，即第一級運用DC/DC變換，將27V變換為約±130V的直流高壓，第二級運用DC/AC變換，將直流高壓變換為交流輸出，通過(guò)反饋調節±130V的高壓直流電來(lái)保證穩定的交流115V輸出。這樣，既簡(jiǎn)化了電路調試和生產(chǎn)過(guò)程，質(zhì)量也容易控制，便于產(chǎn)業(yè)化。

2 主電路設計

2.1 利用DC/DC變換器實(shí)現穩壓

該變換器采用了推挽工作方式，具有效率高、工作可靠的優(yōu)點(diǎn)。如圖1所示，該變換器的作用是將低壓直流電變換為高壓直流電。主變壓器T1初級接成推挽形式，次級因為電壓較高，用全橋方式進(jìn)行整流，開(kāi)關(guān)管S1、S2分別用4只IRF3710并聯(lián)，有效地降低了導通損耗。功率MOSFET的共生二極管同時(shí)可作為開(kāi)關(guān)管關(guān)斷時(shí)的交流通路，抑制開(kāi)關(guān)管兩端的關(guān)斷過(guò)電壓。R2、C3、R3、C4為阻容吸收電路，可以進(jìn)一步降低MOSFET關(guān)斷時(shí)的尖峰電壓。吸收電阻選擇的原則，是在最小導通時(shí)間時(shí)，仍能使電容上的電壓放電完畢，而吸收電容在吸收電阻功耗許可范圍內盡量取大。經(jīng)過(guò)實(shí)驗，本電路的吸收電阻為5Ω、5W，吸收電容為0.1μF、250VDC。

主變壓器T1選用TDK的PQ50/50磁芯，經(jīng)過(guò)計算（公式見(jiàn)參考文獻1），本變壓器初級為2匝，次級為30匝。因為初級電流較大，采用厚度為0.5mm的薄銅片繞制，同時(shí)采用初級、次級交替繞制的方法，使漏電感、趨膚及鄰近效應最小。

濾波電感L1和L1＇共繞在同一個(gè)CD形的鐵心上，電感量為1.0mH。在連接上，L1和L1＇是串聯(lián)電感的形式，這樣可以提高電感量，并能確保對地輸出動(dòng)態(tài)和靜態(tài)特性均較好的±130V電壓。L2和L2＇是一組輔助濾波電感。

在實(shí)際的電路調試中，應注意本級接阻性負載和接第二級DC/AC負載時(shí)，推挽變換器功率管的電壓波形明顯不同。在第二種情況下，功率管關(guān)斷時(shí)的尖峰電壓較小。

2.2 利用DC/AC逆變輸出正弦波

因為本電源是輸出定頻定壓115V、400Hz電源，從系統的可靠性和實(shí)用性出發(fā)，采用了方波變換，加諧振濾波的方法來(lái)輸出正弦波電壓。主電路見(jiàn)圖2。

S3、S4采用IRFP460，其驅動(dòng)電路采用SKHI21，電路簡(jiǎn)單可靠，SKHI21的詳細資料見(jiàn)參考文獻2。L3電感量為6.8mH，采用CD12.5×25×60的鐵心加氣隙繞成，線(xiàn)徑為1.65mm；為了提高鐵心的利用效率，兩個(gè)繞組共用一個(gè)鐵心，串聯(lián)而成一個(gè)電感。C7～C10為5.0μF、400VDC的MKC電容；C14～C16為5.0μF、250VDC的MKP電容；C11～C13為1μF，400VDC的MKC電容，L6和C11～C13組成串聯(lián)諧振電路，主要用于濾掉三次諧波，L6等于4.3mH。該濾波電路經(jīng)電路仿真軟件EWB5.1D進(jìn)行仿真計算，各元器件參數均做了最優(yōu)化處理，在一定負載條件下，諧波失真度可控制在4％左右。

3 控制電路設計

控制電路由兩部分組成，一部分用于提供推挽式升壓電路的驅動(dòng)信號及電流、電壓反饋控制與保護，見(jiàn)圖3；另一部分則為逆變電路提供驅動(dòng)、保護信號，見(jiàn)圖4。在圖3中，以TL494為核心構成PWM驅動(dòng)及保護電路，變換頻率為50kHz。115V輸出電壓經(jīng)隔離降壓后送到P8，經(jīng)過(guò)AD536取有效值后送入TL494的誤差放大器A1，用作系統的閉環(huán)電壓控制。推挽式逆變電路的電流經(jīng)電流互感器采樣由P7送于控制板進(jìn)行信號處理后送入TL494的誤差放大器A2，作為系統的電流環(huán)控制。TL494輸出的驅動(dòng)信號經(jīng)P6輸出到驅動(dòng)板進(jìn)行放大后送入主電路。該系統電路還具有完善的保護措施，包括：

（1）115V輸出電流過(guò)流保護。電流互感器的輸出信號經(jīng)P1進(jìn)入比較器U2，經(jīng)判斷比較后送入TL494的緩起動(dòng)封鎖端（DT）。

（2）熱保護。該系統在主要的功率器件上均裝有溫度繼電器，當溫度過(guò)高時(shí)，相應的P4兩端短路，從而使T12的發(fā)射極輸出高電平，封鎖PWM脈沖輸出。

（3）DC/AC逆變主電路過(guò)流保護及直流過(guò)壓保護。二者均由相應的傳感器將信號送入控制板P5和P21處理后，封鎖PWM脈沖輸出。

圖4展示的電路，主要用于產(chǎn)生DC/AC逆變所需的驅動(dòng)信號。該驅動(dòng)信號可由本系統的信號電路產(chǎn)生，也可由外部電路供給，以便實(shí)現系統的并聯(lián)輸出，其轉換通過(guò)U12（MAX4544）多路開(kāi)關(guān)自動(dòng)進(jìn)行，當有外加信號時(shí)，經(jīng)過(guò)由U11等組成的電路處理，U11B－7向U12－7輸出高電平，從而使電子開(kāi)關(guān)動(dòng)作，實(shí)現驅動(dòng)信號由內部電路向外部電路的切換。驅動(dòng)信號由U3A放大及U10E整形后分別送于上升沿延時(shí)電路，延時(shí)電路主要由R50，C3，D15組成，完成驅動(dòng)信號的上升沿加“死區”時(shí)間的功能。這樣，就避免了同一臂的兩只開(kāi)關(guān)管發(fā)生“直通”現象。其他的一些電路主要用于保護，提高系統的可靠性。

4 結語(yǔ)

本電源可靠性高，輸出波形失真度小，并且沒(méi)有SPWM調制電路所產(chǎn)生的尖峰干擾，目前已投入生產(chǎn)使用。