輸出為115V、400Hz的單相逆變電源

1 引言

??? 直流27V變為交流115V、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臺同樣的電源經適當聯接,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,通過反饋調節±130V的高壓直流電來保證穩定的交流115V輸出。這樣,既簡化了電路調試和生產過程,質量也容易控制,便于產業化。

2 主電路設計

2.1 利用DC/DC變換器實現穩壓

??? 該變換器采用了推挽工作方式,具有效率高、工作可靠的優點。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,用全橋方式進行整流,開關管S1、S2分別用4只IRF3710并聯,有效地降低了導通損耗。功率MOSFET的共生二極管同時可作為開關管關斷時的交流通路,抑制開關管兩端的關斷過電壓。R2、C3、R3、C4為阻容吸收電路,可以進一步降低MOSFET關斷時的尖峰電壓。吸收電阻選擇的原則,是在最小導通時間時,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。經過實驗,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,經過計算（公式見參考文獻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CD形的鐵心上,電感量為1.0mH。在連接上,L1和L1＇是串聯電感的形式,這樣可以提高電感量,并能確保對地輸出動態和靜態特性均較好的±130V電壓。L2和L2＇是一組輔助濾波電感。

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

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用性出發,采用了方波變換,加諧振濾波的方法來輸出正弦波電壓。主電路見圖2。

??? S3、S4采用IRFP460,其驅動電路采用SKHI21,電路簡單可靠,SKHI21的詳細資料見參考文獻2。L3電感量為6.8mH,采用CD12.5×25×60的鐵心加氣隙繞成,線徑為?1.65mm;為了提高鐵心的利用效率,兩個繞組共用一個鐵心,串聯而成一個電感。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。該濾波電路經電路仿真軟件EWB5.1D進行仿真計算,各元器件參數均做了最優化處理,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信號及電流、電壓反饋控制與保護,見圖3;另一部分則為逆變電路提供驅動、保護信號,見圖4。在圖3中,以TL494為核心構成PWM驅動及保護電路,變換頻率為50kHz。115V輸出電壓經隔離降壓后送到P8,經過AD536取有效值后送入TL494的誤差放大器A1,用作系統的閉環電壓控制。推挽式逆變電路的電流經電流互感器采樣由P7送于控制板進行信號處理后送入TL494的誤差放大器A2,作為系統的電流環控制。TL494輸出的驅動信號經P6輸出到驅動板進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輸出電流過流保護。電流互感器的輸出信號經P1進入比較器U2,經判斷比較后送入TL494的緩起動封鎖端（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,當溫度過高時,相應的P4兩端短路,從而使T12的發射極輸出高電平,封鎖PWM脈沖輸出。

??? （3）DC/AC逆變主電路過流保護及直流過壓保護。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,主要用于產生DC/AC逆變所需的驅動信號。該驅動信號可由本系統的信號電路產生,也可由外部電路供給,以便實現系統的并聯輸出,其轉換通過U12（MAX4544）多路開關自動進行,當有外加信號時,經過由U11等組成的電路處理,U11B－7向U12－7輸出高電平,從而使電子開關動作,實現驅動信號由內部電路向外部電路的切換。驅動信號由U3A放大及U10E整形后分別送于上升沿延時電路,延時電路主要由R50,C3,D15組成,完成驅動信號的上升沿加“死區”時間的功能。這樣,就避免了同一臂的兩只開關管發生“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

??? 本電源可靠性高,輸出波形失真度小,并且沒有SPWM調制電路所產生的尖峰干擾,目前已投入生產使用。