逆變進一步普及 模塊化逆變電源的設計與應用

1 引言

目前,逆變技術已在國民經濟的各個領域中得到了極其廣泛的應用,國內外許多公司已能生產技術成熟的標準逆變電源,這些產品實現的功能較多,性能較好、可適應較復雜的負載情況,但控制方案較復雜、體積較大、價格昂貴,適于實驗室、車間的集中供電。在逆變技術的進一步普及應用中,越來越多的產品、設備要求逆變電源象直流電源一樣模塊化,并成為該產品、設備的一部分。通常在這種場合對逆變電源要求容量較小、負載單一、并控制體積和成本,顯然再采用標準逆變電源的方案就不合適了,這需要仔細考慮系統方案,簡化控制,在保證性能指標的同時,減小體積,降低成本。

本文以某新型魚雷定向陀螺用的模塊化逆變電源為例,介紹模塊化逆變電源的設計與應用情況。本例的負載為感性,輸出電壓有個切換過程,在要求輸出電壓固定的場合,去掉電壓切換部分即可。

本模塊電源為三相400Hz逆變電源,24VDC輸入,要求輸出電壓在通電30s內為68V,此時負載電流為3A;30s后,陀螺的起動過程結束,要求輸出電壓無間斷地切換為36V,并提供1A負載電流,穩壓精度2%,輸入輸出隔離。模塊外形尺寸不大于120mm×130mm×50mm。

2 系統設計

在模塊電源的研發過程中,系統設計直接決定產品的最終性能。現采用以下方案構成SPWM型逆變器,系統框圖見圖1。

2.1 控制方案

模塊化逆變電源的負載一般已知,其特性也不復雜,沒有進行實時計算的必要,因此采用查表法是很合適的,將控制波形的SPWM數據事先計算出來,存入ROM中,這樣可使控制部分得到最大程度的簡化。調節直流母線電壓可以進行輸出電壓的控制,雖然這種方式不利于三相分相控制并有一定滯后,在大容量逆變器中不常見,但在三相平衡負載場合,是完全可以滿足要求的。所以,本系統實際采用了PWM、PAM兩種控制方式。控制部分是系統的關鍵,本文將做詳細介紹。

2.2 主電路設計

主電路需將24VDC輸入變換為較高的、可調節的直流母線電壓,選擇性能優良的DC/DC模塊,可縮短設計周期、提高產品可靠性。

DC/DC模塊選用VICOR產品。該產品采用了ZCS/ZVS(零電流/電壓開關)技術,突出優點是高效率、高功率密度、高可靠性、低電磁干擾;同時,可以利用其I/O隔離的特性實現系統的隔離。若使用兩只24V變48V、輸出150W的VICOR模塊,輸入并聯,輸出串聯,可獲得96V的直流母線電壓。

(1)檢驗功率不計各處損耗,最大輸出功率為68×3=204VA兩只模塊可輸出功率達300W,可以滿足要求。

(2)檢驗電壓正常工作輸出36V時,若直流利用率為0.7,調制度為最大值1,則需直流電壓36/0.7=51.5V輸出68V時,若直流利用率仍為0.7,調制度為最大值1,則需直流電壓68/0.7=97V這是空載時所需的直流電壓,當帶重載時,因線路阻抗和系統輸出阻抗的存在,所需的直流母線電壓更高,所以必須采取措施提高直流利用率。計算SPWM數據時,可適當地過調制,并在電路中稍微加大濾波,就可達到目的。

逆變橋使用MOSFET構成三相逆變全橋,濾波網絡中的電容采用三角形連接以加強濾波作用。2.3 保護與控制電源

當有異常情況出現時,有兩種方法切斷輸出,一是封鎖控制數據,如選擇ROM數據全為零的空頁,此法方便快速;二是斷開直流母線電壓,此法有利于負載的安全,這里選擇后者。VICOR模塊的GATEIN端是其功率提升同步端,也是該模塊的使能端,拉低該端電壓即可關閉模塊(Isink=6mA),它以-IN端電位為基準,故檢測的過流、過壓信號均須以光耦與之隔離。

控制部分已相當簡單,電源功率很小,采用線性三端穩壓器即可。除簡便外,還有可靠、電磁干擾小的優點。固定一只模塊的輸出電壓以獲得控制電源,而調節另一只來控制系統輸出電壓的幅值。

3 PWM波形控制

在ROM中的PWM數據是