一種大功率可編程電源輸出裝置

海軍92815部隊 孫憲福

中船重工集團第七一〇研究所 何 苗 盧筑飛

一種大功率可編程電源輸出裝置可根據(jù)設(shè)置的頻率、電流輸出電流方波。在雙極性工作方式下可記錄電流幅值和頻率。該裝置產(chǎn)生的多種電流波形可可作為試驗的信號源，有較廣的工程實用性。

一、引言

隨著電子技術(shù)的蓬勃發(fā)展，各種電子產(chǎn)品、工程設(shè)備對電源的需求量不斷增大，對電源的功能和性能要求也逐步提高，為滿足市場的需求，電源產(chǎn)品不斷向小型化、模塊化、智能化方向發(fā)展。本文設(shè)計的一種大功率可編程電源輸出裝置具有輸出功率大，電流頻率和幅值可調(diào)的特點，該裝置作為信號源可廣泛用于各種試驗測試和工程應(yīng)用。

二、系統(tǒng)組成

系統(tǒng)主要由整流濾波電路、高頻逆變、高頻變壓器、高頻整流濾波、電源串并聯(lián)網(wǎng)絡(luò)、極性轉(zhuǎn)換電路及控制電路等組成。其中，控制電路包括控制和存儲模塊、控制面板和液晶顯示等，設(shè)備組成框圖如圖1所示。

圖1 設(shè)備組成框圖

三、系統(tǒng)工作原理

整流濾波電路將來自電網(wǎng)的交流電轉(zhuǎn)換為穩(wěn)定的直流電；高頻逆變、高頻變壓器和高頻整流濾波對直流電進行頻率和幅值變換；電源串并聯(lián)網(wǎng)絡(luò)對多路高頻整流輸出進行組合，實現(xiàn)不同電壓區(qū)間的輸出；極性轉(zhuǎn)換電路用來實現(xiàn)單極性和雙極性的轉(zhuǎn)換。系統(tǒng)各功能模塊詳細(xì)介紹如下：

1、供電輸入

本裝置提供三種供電制式。

單相AC220V為標(biāo)準(zhǔn)配置的供電制式。高頻逆變單元的直流母線電壓按該供電方式確定。

三相AC380V和直流電作為可選供電制式。三相AC380V供電時，通過外掛或內(nèi)置“三相自耦變壓器”選件，將三相AC380V交流電轉(zhuǎn)換為三相AC185V交流電，為設(shè)備提供供電；直流供電時，通過外掛或內(nèi)置“斬波升壓”選件，將輸入直流電提升為DC250V左右的直流電，并注入高頻逆變單元的直流母線。

2、整流濾波

將交流電變換為直流電。采用三相整流橋模塊，既可三相輸入又可單相輸入。針對DC120V供電，提高直流電壓等級，將120V直流電壓通過斬波升壓電路變換為250V直流電。濾波電路將脈動直流電濾為平直直流電，采用DC120V供電時，可同時加大斬波升壓電路儲能電容的容量。

3、高頻逆變

將DC250V直流電變換為脈寬可調(diào)的高頻方波。首先由移相全橋軟開關(guān)控制電路產(chǎn)生4路控制信號通過高頻脈沖變壓器隔離后加在高頻逆變主電路H橋的4個開關(guān)管上，控制H橋按移相方式工作。高頻變壓器變換高頻方波的電壓幅值，使加在原邊的電壓幅值等于直流母線電壓，生成脈寬可調(diào)的高頻方波。電源串并聯(lián)網(wǎng)絡(luò)對n組直流電壓輸出進行串、并聯(lián)組合，滿足各電壓等級輸出的需求，同時變換輸出電壓檢測電路的反饋系數(shù)，保證控制電路的可靠控制。

4、極性轉(zhuǎn)換

極性轉(zhuǎn)換電路按給定信號頻率和極性控制H橋4只開關(guān)管的開通和關(guān)斷，變換直流電壓的輸出極性，得到按給定信號頻率和極性變化的單極性或雙極性脈沖。

5、控制和存儲模塊

對手動設(shè)置信號或來自上位機的自動控制信號進行“解讀”并記憶，向各驅(qū)動模塊發(fā)出控制信號；監(jiān)測設(shè)備的主要運行狀態(tài)，故障時封鎖各開關(guān)管，切斷主電源。同時，對設(shè)備運行參數(shù)進行實時存儲，便于進行數(shù)據(jù)分析。

6、控制面板和液晶顯示

控制面板上設(shè)置恒流輸出、單極性、雙極性和自動輸出開關(guān)。恒流輸出通過相對精確的恒壓控制，實現(xiàn)特定負(fù)載下恒定電流波形的輸出；單極性、雙極性位為手動操作位，當(dāng)選擇單極性或雙極性時，控制系統(tǒng)將選擇按單極性或雙極性控制波形運行。同時，面板上設(shè)置頻率、幅值設(shè)置按鈕調(diào)節(jié)輸出電流的頻率和幅值，并通過液晶屏顯示。

面板上設(shè)置液晶顯示，用來顯示設(shè)備運行狀態(tài)、工作頻率、給定電流、電壓幅值、反饋電流、電壓幅值。設(shè)備運行狀態(tài)包括手動、自動、單極性、雙極性、故障和故障類型等信息。工作頻率顯示的當(dāng)前輸出電流、電壓的頻率值。

四、設(shè)計關(guān)鍵技術(shù)

本裝置的特點是頻帶寬、電壓輸出范圍寬。為保證裝置在寬的頻率范圍、電壓輸出范圍內(nèi)均能可靠工作，要注意以下關(guān)鍵技術(shù)。

1、高電壓可靠輸出

該裝置電壓輸出的最高值可達(dá)2000V，功率器件的選擇比較困難。在電路設(shè)計中，DC/DC電路采用了多個模塊串聯(lián)的方式來有效降低高頻整流橋的電壓等級；同時，為滿足各電壓區(qū)段電流控制的精度，各模塊通過電源串并聯(lián)網(wǎng)絡(luò)分別構(gòu)成不同電壓等級的直流輸出，通過面板上電源串并聯(lián)網(wǎng)絡(luò)的“輸出電壓區(qū)段選擇”轉(zhuǎn)換開關(guān)進行切換。極性轉(zhuǎn)換電路中，H橋需采用3300V的IGBT，保證極性變換可靠運行。

2、恒流控制技術(shù)

移相全橋軟開關(guān)電源既可工作在恒流模式，也可工作在恒電壓模式，因在電源高頻輸出時，恒流模式無法保證電流的跟蹤性，所以在低頻時按恒流模式運行，高頻時按恒壓模式運行。

3、換向死區(qū)控制

目前3300V的IGBT從實際應(yīng)用看，由于死區(qū)時間一般選擇的比1200V的IGBT大得多，加上其他應(yīng)用條件和經(jīng)驗的限制，頻率不可能做很高，一般工作頻率選擇在2～3kHz左右，如工作頻率過高，可能影響正常使用，需通過增加相應(yīng)的保護電路，才能進一步提高工作頻率。

五、測試結(jié)論

在實際測試中，選用負(fù)載阻值為120Ω，負(fù)載需施加的電流幅值為5A，頻率為16Hz和2002Hz的方波,測試輸出的波形分別如圖2和圖3所示。

圖2 16Hz輸出波形

圖3 2002Hz輸出波形

測試結(jié)果表明該電源輸出裝置可按設(shè)定要求輸出所需的電流波形，可作為可靠的信號源進行應(yīng)用。通過實際測試也證明本裝置采用多電源模塊的串并聯(lián)控制和電源工作模式的合理選擇有效實現(xiàn)了大功率可編程電源的寬頻帶寬電壓輸出。