采用PWM功率放大器的新型中頻電源設計方案

引 言

隨著電力電子技術及器件的發展；特別是功率MOSFET、IGBT、MCT、IPM以及單片集成脈寬調制功率放大器等新型器件的出現；使電壓型SPWM逆變器得到廣泛的關注、開發和應用。

傳統中頻電源一般包括兩個環節：即前級穩壓；后級中頻逆變；基本采用分立元器件。雖無傳統的旋轉部件；但體積仍然較大；效率較低；結構復雜；調試麻煩；不可靠因素較多；直接影響了電源及設備的可靠性。各種新型艦載電子設備對中頻電源的體積重量和性能指標提出了更為嚴格的要求；而傳統中頻電源已無法滿足；解決的途徑只能是尋求更為先進的變頻技術。

正弦脈寬調制SPWM(Sine Pulse Width Modulation) 技術利用功率器件的導通與關斷；把直流電壓變成幅度相等而寬度按正弦規律變化的電壓脈沖序列；并通過控制脈沖的寬度和和脈沖序列的周期以達到變壓變頻目的。采用SPWM技術的電源主要優點有：效率高、體積小、噪聲小、失真度小、響應快。


工作原理

早期SPWM中頻電源多采用分立器件構成；系統中的振蕩器、比較器、死區發生器、驅動等需要十分謹慎的調節；且可靠性不高；現在這種方案已很少采用；后來出現了單片集成SPWM控制器；如HEF4752V等；將振蕩器、比較器、運放等集成于單片IC內部；大大簡化了系統設計；系統可靠性也大為提高；隨著高速單片機和低價位DSP控制器的出現；數字化中頻電源開始廣泛使用；與此同時還出現了可編程數字化SPWM發生器，如SA838等；進一步簡化了系統設計；提高了系統可靠性。但是所有這些控制方案在構成一個完整的電源系統時都需要至少三路隔離電源；電源體積很難進一步減小。

　　美國APEX公司結合電力電子技術和功率放大器技術設計生產了脈寬調制功率放大器；該系列放大器將振蕩器、PWM發生器、死區發生器、自舉驅動器、IGBT和續流二級管、過流/過熱保護等功能部件全部集成一體；使其成為一個完整的PWM功率放大器；使用者只需按要求提供所需的模擬調制信號；經放大器后將輸出基波為調制信號的高頻高壓SPWM信號序列；再經高頻濾波后就可得到幅度和功率均放大的調制信號。若將放大器和濾波視為一個整體；其功能就等同于傳統線性功率放大器；但其效率卻高得多。

PWM功率放大器代表型號SA08典型參數：
功率輸入電壓16～500VDC；單相全橋輸出；最大輸出電流20A；最大傳遞功率10KW；內部振蕩及控制電路實現22. 5kHz的開關頻率；模塊效率高達98%；具有內部過流和過熱保護；同時提供用戶外部限流設置和關斷功能；MO-127封裝；工作溫度范圍- 55～125℃。

SA08外觀和引腳分布圖見圖1；內部功能圖見圖2 。

由于將振蕩電路、控制電路、驅動電路和功率器件全部集成于模塊內部；SA08的可靠性大為提高；且接口非常簡潔。樣機電源以SA08為核心；由整流電路、輔助電源、中頻信號發生器、反饋控制電路和輸入輸出濾波電路等部分構成。原理圖見圖3。

單相220V AC電壓一路經整流橋整流濾波后作為SA08的功率電源；另一路經AC/DC轉換、共模抑制后作為控制電路和SA08輔助電源；信號發生器產生頻率400Hz；幅度可調的正弦信號；信號發生器通過優化電路設計和選用低溫漂元件實現輸出頻率的穩定；控制電路對輸入指令信號進行偏置、放大、PID及濾波處理、輸出限幅等；最后作為SA08輸入信號控制其功率輸出。過壓保護和過流保護也通過控制電路實現；SA08輸出的高頻高壓SPWM波經LC濾波器后供給負載；反饋電路直接從負載上進行電壓電流取樣；確保控制的精度。

圖3　系統原理圖