程控三相精密线性功率源的设计

　   1 引言

　　当前在仪表、医疗、自动测试行业广泛要求高精度的三相电源。目前交流稳压调压方式大致可以分为三种：一是机械调压稳压式；二是脉宽调制（PWM）逆变稳压方式；三是线性放大逆变方式。这三种工作方式各有优缺点：机械调压稳压式反应速度慢，且只能输出与市电频率一致的电压；脉宽调制（PWM）逆变稳压方式输出功率范围宽、效率高、输出电压中高频噪声和波形失真较大，不易实现三相电源的相位控制；线性放大逆变方式容易实现输出交流的高精度、高稳定度、反应速度快、但电源效率较低，实现大范围内电源调整需要输出电压分档。

　　本文充分考虑了某些行业对程控、高精度、三相电源的要求及对功率输出相对要求较低的情况，采用了线性放大逆变方式。其主要特点是：采用新型功放模块主振放大式电路，电路全集成化、体积小、稳定性好、可靠性高，输出的交流电压、电流、频率均可程控或手控，并具有过载保护功能。

　　2 主要性能指标

　　其主要性能指标如下：

　　输出电压0～380V；
　　输出电流0～2A；
　　输出功率≥3×80W；
　　失真度≤08％；
　　频率稳定度≤10－6；
　　三相不对称度≤002°。
　　3 总体构成及原理

　　该三相交流电源的总体原理框图如图1所示。主要由时钟信号产生器、二进制计数器、波形数据存储器、具有缓冲特性的D/A转换器、运算放大器及线性功率放大器、光电耦合过载保护电路、同步跟随电源、直流电源电路等部分组成。整个电路由计算机进行控制。

图1 总体原理框图

　　程控三相精密线性功率源基本原理是首先利用单片存储器产生三路三相高稳定的正弦波信号，并实现三路信号的幅度、频率同步控制，然后利用大功率的功放器件，将三路信号进行功率放大，最后隔离输出形成三相功率源信号。

　　4 关键技术

　　4.1 系统软件及控制方式

　　系统软件采用LabWindow/CVI等专用仪器软件编制，其丰富的图形编辑和强大的功能数据分析处理库，较其它通用软件有明显的优势。

　　系统采取同步发送方式，其中一组28位的串行码流专门传输数据（见图2），前8位为密码信号码，只有满足本通信协议的数据才能进入后续电路，保证了信号发送与接收的纠错及抗干扰能力；4位的电源号表示最多可16个电源模块同时工作；4位的电流数据表示电流分16档；12位的电压数据保证了交流电源输出的高精度。

图2 串形码流数据示意图

　　4.2 三相稳定波形的产生

　　首先介绍波形数据存储方式，这里以选用27256作存储器为例详细说明正弦波的数字量化及其存储方法。27256的容量为32k×8，将其等分为四区，即0000H～1FFFH范围的8k单元定义为A相区；2000H～3FFFH范围的8k单元为B相区；4000H～5FFFH范围的8k单元为C相区；6000H～7FFFH范围的8k单元为放置清零信号的D区。将一个周期的正弦波在时间坐标方向上等分为7200点。A、B、C三区各存放一个周期的正弦波数据（参见图3）。这里A相区每一单元的数据选定为0°～359.95°，某一点对应的正弦函数值加上80H，其中以0°对应的正弦函数值为第一点存在0000H首单元，每隔0.05°取一点，存入下一单元；B相区相对于A相区滞后120°，其中该区的第一点为240°对应的正弦函数值，每隔0.05°取一点；C相区相对于A相区超前120°，其中该区的第一点为120°对应的正弦函数值，每隔0.05°取一点。每区存放7200点数据，即一个周期的正弦波数据。D区的前7200点为00H，第7200个数据为80H，用来产生计数器清零信号，其它点为任意数值。

图3 三相正弦波存储示意图

　　其简要工作过程为：波形数据存储器EPROM在地址计数器的控制下，前三个时钟依次输出A相区的第一个数据、B相区的第一个数据、C相区的第一个数据，并分别在三路D/A的第一级缓冲器中锁存，当第四个时钟到来时将三路D/A第一级缓冲器中的数据同时存到第二级缓冲器中完成数模转换，经运算放大器同时输出三相信号的各一点。再经过四个时钟产生第二点，以此类推，4×7200个时钟到来后完成了一个周期的三路正弦波信号的产生过程，同时最后一个时钟在波形数据存储器的D区输出作用下产生清零信号将计数器清零，准备产生下一个周期三相正弦波。

　　4.3 线性功率放大

　　乙类线性功率放大稳压方式及功率合成：由于采用线性放大交流稳压方式的最大难题是如何降低放大模块上的功耗。为了减小失真，目前一般采用乙类功放，其各指标计算公式如下：

　　1）输出功率Po

Po=(1/2)·(Uom2/Rl)

　　式中：Uom——输出电压峰值；Rl——负载电阻。 

     2）管耗Pc

Pc=（2/Rl）(Ec·Uom/π－Uom2/4)=Po〔(4/π)·Ec/Uom－1〕

　　式中：Ec——电源电压。

　　3）效率η

η=(π/4)·Uom/Ec

　　显见，如果Ec恒定，为了获得相同的输出功率，输出电压幅度减小，管耗增大，特别是极限情况下，例如电源电压是输出电压的十倍时，效率仅0.078根本就输不出功率，即使能输出，也没有这样的功放器件可供选用。

　　为解决上述问题，采取了电源电压Ec与输出电压幅度Uom的同步跟随技术，如图4所示。如果基本满足Ec≈Uom的条件，则η≈0.78，Pc≈0.27Po。其功率的效率能始终保持较高值，且管耗仅与输出功率有关，不至于出现输出电压降低，放大器功耗增加的现象，从而有效防止功放因过热而损坏。

图4 电源电压与输出电压幅度关系图

　　采用供电电源的自动调整及功率合成技术，最大限度地解决了降低功率放大器件的功耗和增大输出功率的相互制约问题。但功率合成一直是大功率输出的一大难题，经反复试验，采用图5所示的功率合成原理，有效地解决了这一问题。由于主功率放大与从功率放大的输出电压大小与相位完全一致，实现了两功放输出电流的直接相加，最终形成了多功放的功率的合成。图5仅列举了两功率的合成情况，多功放合成的原理也完全一致。

图5 多功放的功率合成

　　4.4 过载保护

　　1)总线与模块的隔离为了保证计算机与模块绝对隔离，而采用光电耦合技术，但要特别注意的是总线与模块的GND1与GND2绝对不能共地（见图6）。

图6 光电耦合隔离电路

　　2)过载保护电路一般电源的电流检测都是利用电阻串联的方法来完成的，在检测电流较大时会严重影响电路的正常工作及电源精度。而采用新型器件MAX471进行电流的检测可以解决上述问题。具体电路如图7所示。当RS＋流向RS－的电流为1A时，OUT端输出＋1V的电压，相当于1A/V电流电压转换器。

图7 MAX417构成的电流检测电路

　　5 结语

　　本文介绍的程控三相精密线性功率源的设计方法，是各种技术有机的融合，不但解决了三相正弦波的产生、功率放大及合成、过流保护等问题，而且实际产生的三相电压具有波形好、频率调节方便、可靠性高等特点。实验证明其三相不对称度≤002°。根据该设计制做的系列三相正弦波信号模块已用于某大型自动测试设备，工作稳定可靠。