基于SPWM的多路400Hz高精度交流电源研制

程治新 黄丽娟 张 瑞 文谷生

（武汉军械士官学校，武汉 430075）

基于SPWM的多路400Hz高精度交流电源研制

程治新 黄丽娟 张 瑞 文谷生

（武汉军械士官学校，武汉 430075）

介绍了基于SPWM脉宽调制的400Hz交流电源结构、原理，给出了各部分原理电路图。电源具有成本低，精度高，保护可靠等特点，已成功运用于传感器的激励及解调电路。

SPWM；稳压反馈；电压电流保护

400Hz交流电源广泛应用于航天、军工、船舶、工业设备的自动控制系统中，轴角类传感器的激励与解调是其工作的一个重要方面，这就需要交流电源频率、幅值精度高，电压畸变小，并具备完善的电流电压保护功能。

市售400Hz电源大多适用于较大功率场合，价格昂贵，体积相对较大，易损坏，电压电流保护阀值无法根据负载具体要求灵活调整，不适宜用作角度测量传感器电源。

根据“某传感器测试维修系统”课题需要，我们基于SPWM原理，采用HT1118为主信号发生芯片，研制了多路（26V/36V/115V）400Hz电源。应用表明，该电源精度高，正弦波信号谐波失真小，具备完善的电压电流保护，保护阀值可根据负载需要灵活调整。整个装置体积小，价格低廉，可靠性高，完全满足角度测量系统的需求。

1　SPWM脉宽调制基本原理

将固定直流电压变换成固定的或可调的交流电压的装置称为逆变器。采用脉宽调制（PWM）技术后，能有效改善和提高逆变器的品质性能。自20世纪80年代初以来，各国科技人员开发了多种PWM方法，归纳起来主要是：正弦脉冲宽度调制SPWM、谐波注入式PWM、最优PWM 和无差拍周期补偿PWM等。

正弦脉冲宽度调制（SPWM）是基于冲量等效原理而来的，大小、波形不相同的窄脉冲变量作用于惯性系统时，只要它们的冲量即变量对时间的积分相等，其作用效果基本相同。所以在某一时间段里，只要正弦波和矩形脉冲电压对时间积分结果相等，它们作用于一个 L、R电路得到的电流响应就基本相同，这种宽度按正弦规律变化的矩形脉冲电压波形可以通过控制MOSFET的通断得到。由傅里叶变换分析可知，输出电压中除基波外仅含某些高次谐波而消除了许多低次谐波，开关频率越高，脉波数越多，就能消除更多的低次谐波，从而得到波形较好的交流信号源。

2　系统硬件电路设计

2.1总体设计

电源总体设计如图1所示。系统的基本工作原理是：24V直流电经过SPWM全桥逆变后，接入变压器输入端，变压器的原边线圈兼做整流滤波用。变压器输出有三个抽头，输出电压有效值分别为115V、36V和26V，三者共地。为使输出电压稳定可靠，设置有稳压反馈电路。为了保护负载，防止过压或者过流，在交流 115V输出电压处设置电压采样电路，在24V直流主回路设置有电流采样电路，当出现过流过载时，保护主电路。本系统的SPWM产生芯片使用的是国产芯片HT1118，隔离驱动芯片选用的是IR2110S，逆变器主电路采用MOSFET管75N75。

图1　电源框图

2.2SPWM波形产生电路

为得到SPWM波形，我们选用了北京泓芯泰业公司专为400/500Hz逆变器设计的SPWM波形发生芯片HT1118。它具有低成本、小体积、低电压、低功耗、高精度等特点，能产生纯正弦波，抗干扰能力强，接口简单，通用性好。

以HT1118为核心的SPWM波形产生电路如图2所示，具体设计说明如下。

图2　SPWM波形产生电路

（1）2脚、3脚之间外接无源晶振，需要输出400Hz时应选择16MHz晶振，需要输出500Hz时应选择20MHz晶振。

（2）4脚为遥控输入，它为低电平时PWM脚正常输出，它为高电平时PWM脚输出低电平。

（3）11脚为故障输入控制，低电平有效。我们用5V电压经过电阻R36对它进行拉高，电压保护输出与电流保护输出正常情况下是高电平，此时11脚电平为高，系统正常工作。当电压保护生效时，电压保护输出为低电平，11脚被拉低，PWM脚输出低电平，系统停止工作，达到保护目的。电流保护生效时与电压保护一致。13脚为故障输出指示，如果11脚被拉低，芯片停止工作，则13脚输出高电平。

（4）12脚为稳压反馈输入，根据输出反馈电压的大小调节直流电压利用率，改变PWM波占空比，从而达到稳压的效果。芯片的直流电压利用率为0.73～0.85，故直流输入为24V时，输出交流电压有效值范围为12.4～14.4V。

（5）7脚—10脚为4个PWM输出口，输出PWM 波频率为 32kHz（400Hz），预置死区控制时间0.7μs（400Hz）。

2.3隔离驱动电路

由于HT1118输出的SPWM波幅值为5V，而全桥逆变我们选择的MOSFET管75N75的驱动电压为12V左右，所以设计了一个驱动电路，同时，驱动电路也起着隔离保护的作用。图3显示的是一个半桥驱动电路，两套这样的电路即可组合成一个完整的全桥驱动电路。我们选择的驱动芯片为IR公司的IR2110S驱动芯片，它兼有光耦隔离（体积小）和电磁隔离（速度快）的优点。

图3　隔离驱动电路

IR2110S最大的优点是采取了高端悬浮自举电源的成功设计，把桥式逆变器辅助驱动电源的数目简化到一组。自举电路如图3所示，下桥臂S1导通期间将VS（高侧浮动电源返回输入）的电位拉低到地，VCC通过自举电阻 R19和自举二极管 D2给自举电容C16充电，通过电容C16在VB和VS之间形成一个悬浮电源给上桥臂主开关器件S2供电。自举电路的存在使同一桥臂上、下主开关器件驱动电路只需一个外接电源。

IR2110S大大简化了驱动电路的设计和辅助驱动电源的数目，降低了系统成本，减少了体积。

2.4逆变器主电路

逆变器主电路是一个全桥开关电路，如图4所示。输入为 24V直流，开关元件选用的是大电流MOSFET管75N75，加上RC缓冲电路即构成单相逆变器。输出PWM波接升压变压器原边线圈，变压器选用的是环形铁芯变压器，原边线圈兼做PWM波滤波电感，设计变比在115V抽头处为1比9，另有36V和26V输出抽头，三路输出共地。

图4　逆变器主电路原理图

每一路输出均并联滤波电容，图上只显示了115V输出的滤波电容，由于输出为交流，电容选用无极性电容。

2.5稳压反馈电路

为保证在在带负载运行情况下，输出电压仍保持稳定，设计了PID稳压反馈电路，如图5所示。把 115V输出经过一个 100kΩ电阻限流，输入互感器TV1013原边，TV1013是变比为1∶1的电流互感器，调节变阻器RP4的值，使得A点的电压波形幅值为3.5V左右，稳压反馈信号接入图2的HT1118芯片12脚。

图5　稳压反馈电路

通电后 HT1118芯片即开始工作，初始直流电压利用率设置为 0.73，芯片进入自动稳压状态，根据12脚反馈回来的电压，调节直流电压利用率使交流输出稳定在115V。

2.6电压保护与电流保护电路设计

115V电压保护电路如图 6所示。升压变压器115V触头输出，经过一个100kΩ电阻限流接入电流互感器TV1013原边，互感器副边接全波整流电路，由图可知，变阻器RP1两端电压VRP1即为比较器反相输入电压，比较器参考电压为

系统正常工作时，变压器 115V触头输出的峰值电压为162.6V，调节RP1的阻值，使得VRP1的峰值电压略低于1.24V，一般我们预留3%左右的裕度，让VRP1峰值电压为1.20V左右，此时比较器输出高电平，电压保护信号为高电平。

图6　电压保护电路

一旦变压器 115V触头输出电压有效值突然升高超过115V额定值3%以上，VRP1峰值电压升高至参考电压V0之上，比较器输出低电平，电压保护信号被拉低，图2中HT1118的11脚被拉低，芯片停止工作。

电流保护电路如图7所示，电流采样信号来源于图4逆变器主电路中的电流采样电阻R23，采样电阻把24V主回路的电流信号转换成了电压信号，由图7可知，电流采样信号放大5倍后，经过一个电压跟随器，送入比较器反相输入端，比较器参考电压：

正常工作状态下，电压跟随器 U2-B的输出电压低于参考电压，比较器 U1-A输出为高电平，电流保护信号也为高电平。比较器电平发生翻转的时候，电流采样信号的临界值为0.6V，此时24V主回路电流为1.2A，系统总功率为28.8W。所以只要24V主回路电流超过1.2A，电流保护生效，电流保护信号拉低，图2中HT1118芯片的11脚被拉低，芯片停止工作。

电压保护和电流保护电路能有效地防止输出超压或者过流，这对于负载为高成本且易损坏的角度测量设备有着重要的意义。

3　实验结果

115V空载电压波形如图8所示。

图8　样机空载115V电压波形

图9　样机带负载115V电压波形

由图8、图9可知，115V输出无论空载和带载，频率偏差低于±0.4Hz（0.1%），峰值幅值偏差低于±0.8V（0.5%），正弦波信号综合谐波失真 THD≤3%。电压输出稳定可靠。

115V带负载电压波形如图9所示（负载100mA）。

当通过改变稳压反馈电路的变阻器 RP4的值，使输出电压峰值升高到 168V左右时，电压保护电路启动，输出中断；当把 115V输出短路时，电流保护电路启动，输出中断，说明电压保护与电流保护电路工作稳定可靠。

4　结论

实验结果表明，本设计方案实现了多路 400Hz交流电源的稳定输出，幅值、频率等各项指标满足要求，整个电源系统体积小、成本低、精度高、保护灵敏可靠，完全满足包括轴角测试与转换等在内的各种400Hz高精度应用场合的电源需求。

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Multi-channel 400Hz High Precision AC Power Realized base on SPWM

Cheng Zhixin Huang Lijuan Zhang Rui Wen Gusheng
（Wuhan Ordnance Non-commissioned Officer Academy， Wuhan 430075）

The structure and principle about 400Hz AC power based on sine pulse width modulation is introduced in this paper.Each part of the design principle circuit is given. The device has the advantages of low cost， high precision， reliable protection .It has successfully applied in sensor stimulate and demodulation circuit.

SPWM； voltage feedback； voltage and current protection

程治新（1978-），男，湖北公安人，讲师，研究方向为自行火炮火控与电气系统，主要从事装备教学、科研及技术保障工作。