前级DC隔离电源与逆变电源电路

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

5．1  PI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。