一种多电压输出开关电源

本文介绍了一种可以多功能宽范围输出的开关电源。详述了电源的基本电路结构和控制策略，介绍了电路多功能的实现，分析了电路中可能存在的问题并给出了解决方案，最后通过试验验证了此设计。

关键词：多功能输出；直流电源；逆变器

1引言

近年来，随着电力电子技术的不断发展，高频开关电源以其高效率、高性能、低重量、小体积，在以往使用线性电源的场合中也获得日益广泛的应用[1]。在一些工业场合（例如，在电力系统继电器检测中）需要提供交流、直流电压源和电流源，而且要求调节范围广，纹波低。如果采用多台功能单一电源设备，体积和重量都会增加很多，不经济，也不能满足工作的要求。因此研究开发多功能、宽范围可调节的开关电源很有意义。

本电源系统采用开关电源技术和数字控制方案，可以作交流电压源、直流电压源、交流电流源和直流电流源，作为电压源输出调节范围为1～250V，作为电流源调节范围为1～30A，工作频率在0～400Hz。输出可选择。

2主电路结构

电源主电路如图1所示，分上下两部分，上部分为电压源部分，下部分为电流源部分，每部分采用两级结构，交流输入整流滤波后，先经过DC/DC变换，再通过逆变器输出。其中DC/DC采用半桥电路用来提供稳定的直流母线电压，并隔离输入级和输出级。逆变部分采用了常规全桥逆变电路，适合于较大功率的应用场合。输出采用两级LC滤波器滤除高频纹波。Lc1、Lc2、Lc3是共模抑制器。电压源前后级的高频开关动作很容易引起两级间的互相干扰，在母线电压比较高的时候尤其明显。因此在两级之间串接共模抑制器Lc1，用来隔离其相互间干扰。Lc2,Lc3接在输出端和负载之间的，作用和Lc1类似，用于抑制高频共模分量通过负载。所不同的是电压源前级DC/DC采用全桥整流，电流源采用全波整流。

图1前级DC隔离电源与逆变电源

3控制原理与结构

对于DC/DC级的控制，本文采用SG3525控制芯片，简单可靠，成本低。

后级逆变器采用了双极性SPWM控制，如图2所示。通过高频三角波和基准正弦波的比较得到控制开关管的PWM波形。正弦基准信号的频率与输出正弦波相同，其幅度的变化可以调制开关的占空比D。幅度调制比ma定义为[2]

ma=Vsm/Vcm（1）

图2三角波与逆变器开关控制波形

式中：Vsm是正弦基准信号峰值；

Vcm是三角波的峰值。

逆变输出正弦电压峰值Vom和直流母线电压Vd的关系为

Vom=ma×Vd，ma≤1（2）

图3是具体控制原理。为消除输出谐波，电路采用了电压、电流双环控制，其中，Vf为反馈电压，If为反馈电流。电压调节环的输出作为电流环的比较基准，电流环输出误差信号与三角波信号比较得到SPWM信号。由IR2110芯片构成驱动电路,由此输出相位互补的两路SPWM信号分别驱动四个开关管。为防止上下桥臂直通，两路SPWM信号之间必须设置死区。保护电路起到监控Vf、If的作用，如果幅值超出阈值，保护电路将关闭驱动信号。

图3逆变级控制电路

4多功能输出的实现

在此电源系统中，电压源和电流源的控制采用同一控制电路，通过继电器切换到不同的工作模式。电压源工作时，继电器K1合，K2开（如图3所示），采用电压、电流双环调节控制，基准信号为正弦信号，输出交流电压；基准为直流电平，输出直流电压。电流源工作时，K1开，K2合，电压调节环变为跟随器，只通过电流环调节，基准为正弦信号，输出交流电流；基准为直流电平，输出直流电流。电压源和电流源驱动信号切换是通过K3来实现的，在电压源工作方式，关断电流源的前级；在电流源工作方式，关断电压源的前级，这样可以防止干扰，提高电路的可靠程度。以上的K1、K2、K3是由数控电路给出的。

5占空比限制与输出交流电压的削顶

5．1PI调节器输出限幅的考虑

由于所采用的专用驱动芯片IR2110是通过自举供电方式来驱动桥臂上管的(如图4所示)。所以，在上、下管驱动信号恒低或恒高时，给上管供电的自举电容C1能量得不到补给。当电容上的能量放完后，上管关断，就会出现此桥臂无驱动信号，无输出的现象。尤其是直流电压时，常有这一现象。

图4逆变级驱动电路

在逆变器控制中，PI调节器输出的幅度如果超过三角波的幅度，就会出现过调制的现象，此时，PWM驱动脉宽会过窄或过宽，还会使上述自举电路工作不正常。因此，必须对占空比的最大值与最小值加以限制。

具体方法是，可以在PI调节器的输出端作一定的限幅（见图3），使控制电路不出现过调制的情况，限制PWM的最大、最小占空比，使IR2110的自举电容C1能及时充电。采用限幅的另一个好处是消除了由于IR2110自举失败导致的电路损坏，提高了可靠性。

5．2输出电压不正常削顶的消除

逆变器控制电路的限幅会使输出波形削顶。但在交流输出未达到限幅值之前，可能首先出现明显的单边削顶（例如在正半波的峰值处）。主要原因是三角波不对称，存在直流偏置，在与PI调节输出比较时，出现一边被限幅，造成输出单边削顶现象。提高母线电压，使实际需求的占空比变化范围缩小，可以消除输出削顶现象。

但是，随最大占空比的下降，调制比下降更快。这会降低母线电压的利用率，导致逆变级的容量扩大。本文的电路用低偏压、低噪声精密运算放大器来产生三角波，同时采用纠偏方法消除直流偏置、确保三角波的对称性，提高了母线电压的利用率。

为确保电路正常工作，同时输出波形不削顶，在此电路中设定最大占空比为0.85，相应的最大调制比为0.7。

6电流源母线电容的选取

母线的电容值可以根据式（3）计算

C=（3）

式中：C是母线输出电容；

Vs是前级整流输入电压；

D是其中一管导通的占空比；

L是母线滤波电感

n是原副边绕组的匝比；

ΔVc是输出纹波电压；

f为前级工作频率。

但是逆变器输入电流并不是真正的直流电流，除直流成分外，还含有双倍于输出频率的交流分量和高频分量。对电流源在输出电流为最大时，这些高频分量会很大，需要母线提供很大的高频纹波电流，所以在尽量加大电解电容的同时，应多采用高频性能优越的电容。不仅可以满足后级高频纹波电流的要求，同时也可以减小后级高频分量对前级的影响。

7电路实验波形

图5是电压源满载下输出200V交流有效值时的波形，波形THD<2％。图6是电流源满载下输出30A交流有效值时的波形，波形THD<1％。

电压：100V/格；时间：10ms/格

图5电压源200V交流有效值输出波形

电流：50A/格；时间：4ms/格

图6电流源30A交流有效值输出波形

8结语

本文电压源和电流源两部分的逆变级控制共用同一控制电路，通过信号切换选择电压源或者电流源输出。每一部分采用前级DC/DC隔离电源与桥式逆变电路相结合，改变基准信号可以使逆变器选择输出交流或直流。通过严格控制三角波的对称性与合理确定调制比，能确保电路的正常工作和提高母线电压的利用率。最后通过一台试验样机验证了以上的设计。

参考文献

[1]丁道宏.国内外开关电源的发展展望[C].华东地区首届电源技术研讨会论文集,2000:1－5.
[2]林渭勋.现代电力电子电路[M].杭州:浙江大学出版社，2002.
[3]张占松,蔡宣三.开关电源的原理与设计[M].北京:电子工业出版社，1999.
[4]李爱文,张承慧.现代逆变技术及其应用[M].北京:科学出版社，2000.