基于Multisim的PWM整流采樣調理電路設計

李中原，尚德堉，孫崢翰，周遠鵬

（貴州航天林泉電機有限公司，貴州 貴陽 550008）

0 引 言

隨著裝備系統體積小型化和供電系統功率越來越大，PWM整流器正朝著高頻化方向發展。目前MOSFET代替IGBT作為整流開關管以獲得更高的頻率，高頻率可以很大程度上提高交流側波形正弦度，同時減少直流側紋波，減小系統的體積，減輕重量，并使系統的整體性能得以提升[1]。但是頻率的提高會帶來嚴重的電磁兼容問題，大功率PWM整流器的工作電壓和電流都很大，在開關過程中主功率開關器件會產生非常高的電流和電壓變化率，通過電路中的寄生電感和寄生電容產生強烈的瞬態噪聲[2]。噪聲的頻譜范圍非常寬，在這種狀態下采用傳統的屏蔽方法或簡單的濾波抑制電磁噪聲難度都非常大，因此PWM整流器采樣電路及信號調理電路的設計十分重要[3]。

1 總體技術方案

傳統PWM整流器中的采樣及信號調理電路主要由采樣電路、RC濾波電路、過零比較電路以及電平轉換電路組成，電路簡單，易于實現。但是在大功率場合，由于電磁干擾嚴重，高頻噪聲疊加在采樣信號上使采樣信號中的毛刺嚴重，RC濾波難以濾除噪聲干擾，會導致過零點檢測異常，系統工作發生紊亂[4]。針對電磁干擾嚴重的問題對濾波電路進行重新設計，采用性能更好的有源濾波器替代無源RC濾波。相較于RC濾波，有源濾波器的體積更小且性能更穩定，其主要由集成運放與RC網絡組成，集成運放具有增益高、輸入阻抗高以及輸出阻抗低的特點。此外，有源濾波器還兼有放大與緩沖的作用，即一方面可以突出有用頻率信號，衰減無用頻率信號，另一方面能夠抑制干擾和噪聲，實現提高信噪比或選頻的目的[5]。PWM整流器采樣及信號調理電路原理框圖如圖1所示。

圖1 采樣及信號調理電路原理框圖

2 有源二階濾波器設計

2.1 有源二階低通濾波器設計

有源二階低通濾波器由兩節RC濾波電路和同相比例放大電路組成，如圖2所示。在集成運放輸出與集成運放同相輸入之間引入一個負反饋，其在不同頻段反饋的極性不同。當信號頻率f>>fc時，電路的每級RC電路相移趨于-90°，兩級RC電路的移相到-180°，電路的輸出電壓與輸入電壓的相位相反，此時通過電容C引入到集成運放同相端的反饋是負反饋，即此時的輸入信號將被反饋信號削弱，從而減小電壓的放大倍數。在這種反饋下，二階有源低通濾波器具有高輸入阻抗和低輸出阻抗的特點，其幅頻特性高頻端迅速衰減，只允許低端信號通過[6]。

圖2 有源二階低通濾波器

要求有源二階低通濾波電路的截止頻率為1 kHz，根據理論計算步驟對其進行計算。由衰減估算式-20ndB/十倍頻，算出n=2。當設計濾波電路的品質因數Q=0.707時，電路的濾波效果達到最佳。所以在電路分析計算時，如果對品質因數沒有特殊要求，那么可以將品質因數Q看作一常數來處理，即Q=0.707，并基于此來設計電路。先取C1=C2=C，然后再計算R1和R2，此時C必須滿足，單位為μF。據此公式及已知條件可得C1=C2=0.01 μF，經核算Q=0.707無解，電路必須滿足Q≤0.5，故取Q=0.5。最后得R1=R2=15.9×103Ω，R3=R4=0 Ω。

2.2 有源二階高通濾波器設計

有源二階高通濾波器與二階低通濾波器的原理相似，如圖3所示，不同之處是二階有源高通濾波器具有高輸入阻抗與低輸出阻抗的特點，其幅頻特性在低頻端迅速衰減，只允許高端信號通過[7]。

圖3 有源二階高通濾波器

要求有源二階高通濾波電路的截止頻率為500 Hz，根據理論計算步驟對其進行計算。由衰減估算式-20ndB/十倍頻，算出n=2。當設計濾波電路的品質因數Q=0.707時，電路的濾波效果達到最佳。所以在電路分析計算時，如果對品質因數沒有特殊要求，可以將品質因數Q看作一常數來處理，即Q=0.707。基于品質因數Q=0.707來設計電路，先取C1=C2=C，然后再計算R1和R2。此時C必須滿足，單位為μF。據此公式及已知條件可得C1=C2=0.02 μF，R1=11.5×103Ω，R2=22×103Ω，R3=R4=0 Ω。

3 三相PWM整流信號調理電路設計

三相PWM整流信號調理電路主要由電壓信號采樣調理電路和電流信號調理電路組成。電壓、電流信號調理電路原理相同，對主功率部分的電壓和電流進行采樣檢測，將其轉換為測量信號，從而對主功率部分及控制部分進行可靠隔離，并在信號調理后使其變為0～3 V的電壓信號，發送給DSP的AD轉換單元[9]。信號調理電路的核心為有源二階帶通濾波器，由有源二階低通和高通濾波器組成。主功率的電壓、電流信號經過霍爾采樣，霍爾副邊電壓信號經二階有源帶通濾波器濾波放大后，將兩相相電壓信號經過LM224差分放大，得到三相整流自然換向點為零點的正弦波，頻率與相電壓頻率一致[10]。經運算放大器TLE2022與零點比較，得到幅值±15 V且頻率與相電壓一致的方波信號，經二極管整流，并通過鉗位電路將輸出電平鉗位，最終輸入DSP的CAP方波信號小于3 V。

三相PWM整流器輸入發電機轉速范圍為30 000～60 000 r/min，對應三相輸出電壓頻率范圍為0.5～1 kHz。經過設計有源二階低通和高通濾波器，使二階低通濾波器截止頻率為1 kHz，二階高通濾波器截止頻率為500 Hz，確保了在需要采樣的發電機轉速范圍內具有優良的選頻特性。對構建的三相PWM整流信號調理電路仿真，結果如圖4和圖5所示。

圖4 有源二階帶通濾波器幅頻特性曲線

圖5 三相PWM整流信號調理電路采樣輸出CAP信號

由圖4可知，帶通濾波電路的選頻特性很好，當輸出三相頻率為0.5～1 kHz時，電路衰減幅度在-1～4 dB之間，而在500 Hz以下和1 kHz以上頻率的電路衰減幅度都在30 dB以上，衰減速度很快，濾波性能好。如圖5所示，三相PWM整流信號調理電路三路采樣輸出CAP方波信號干凈無雜波，且幅值均為2.5 V，三相之間相位相差120°，跟發電機輸出電壓相匹配。

4 結 論

本文詳細描述了二階有源低通、高通濾波器的設計方法，推導出PWM整流采樣調理電路的設計原理及設計計算過程，并通過Multism仿真進行了輔助驗證。基于Multisim仿真設計的PWM整流信號調理電路已經應用于新研制的產品，調試結果與仿真結果一致，證實了仿真設計的正確性，為產品研制提供了可靠的理論依據。