高效大功率中频静变电源系统设计

郑开明

【摘要】静变电源目前广泛应用在舰艇设备，工业控制设备以及航空相关设备之中。其频率一般为400Hz、500Hz，向上还有10KHz以及更高频率的型号。作为电源供电使用时主要为400Hz，这也是本文所要讨论的频率，即400Hz中频静变电源系统设计。由于静变电源整个系统实现起来颇为复杂，本设计主要是针对主电路的结构进行分析，重点放在以单片机89C51为核心的静变控制电路的设计以及实现改进型重复控制算法。

【关键词】中频电源 数字控制 改进算法

一、SPWM的原理

SPWM技术作为一种现代先进的变频技术，它的作用就是通过按照事先设置好的规则来操控系统中的开关类元器件的接通和断开，如此一来，就可以轻松获取一组幅度相等但宽度不等的形状为矩形的脉冲波形，利用它来生成系统所指定频率的形状为正弦形状的电压波。本设计便采用这项先进的技术来研究设计400Hz中频静变电源，这项先进的技术带来的好处是：完成的电源系统在状态正常的情况下相对于传统的多环节类型的中频静变电源可以达到更高的性能指标，即得到更纯净，更稳定的电流和电压。

二、SPWM波形发生器

作为Mitel公司专门为设计三相静变电路而开发的新型SPWM波形发生器，它能够产生纯正弦波，即波形完全與正弦型相匹配的一种波，在设计之初，SA8282就具备了通过外围电路来和DSP单片机做组合的机会。两者组合而成的系统为数字化操作系统，具有出色的抗干扰能力以及良好的通用性，简单的接口便于系统的升级和改造。在不改变基础电路的前提下，利用软件方式就可以修改电路元器件的主要参数，来调整静变器的性能指标，如此一来，调试效率得到了极大的提高，产品的成品得到了有效的控制。

三、单主电路结构

本系统主要由下面1、2、3三个部分组成，来实现将220V/50Hz的交流电变换成115V/500Hz的交流电。具体结构如下图所示：

（1）第1部分（PFC boost）。本部分的作用是把交流电整流并通过boost电路升压，输出为360V的直流高压，在控制电路控制下实现稳压，并使功率因数为1.这一级要保证功率因数为1，同时实现稳压的功能。

（2）DC/DC变换电路。本部分的完成将360V直流变换成180V直流，采用变压器隔离DC/DC变换，变压器的作用是隔离及变压，原边的逆变桥由四个开关管组成，副边由四个整流管组成，对于逆变器同一桥壁开关管的控制采用互补控制，对角开关管同时导通和关断，逆变桥输出极性为正或者负的方波信号，正负脉冲的宽度各为50%。

（3）DC/AC变换模块。它主要的功能是完成DCl80V至AC115V/400Hz交流电压的变换功能。这一部分是整个逆变电源的核心部分，也是本文研究的重点部分。

该逆变电路实际上是一种Buck逆变器，即上一章所提到的双向直流变换器，它是双向直流变换器的一种应用，这种Buck逆变器可以看作两个部分组成：①具有双向电路导通能力的Buck变换器。②全桥变换电路。

双向直流Buck变换器由Buck电路和Boost电路结合而成，图2（a）为Buck电路，图2（b）为Boost电路，把功率二极管换成双向开关就形成了双向Buck变换器，如图2（c）所示，从而实现了能量的双向流动。

（c）双向直流Buck变换器

四、软件设计

系统开始运行时，89C51单片机向SA8282发出初始化命令和控制命令。重点需要设置的参数有频率调节范围区间、dead Zone时间、输出电压的幅值大小、输出信号的中心频率等。SA8282三相与三相变频专用信号产生器之间存在相位差，大小为120°，这不符合静变电源设计要求中知A与B相位相差为90°的描述。较为普遍的调制方法是在外部另接电路，来调整相位。这样实现起来不仅增大的系统的体积，增加了系统的复杂性，不符合模块的的设计初衷，同时由于外部电路不可避免会存在温漂现象等因素干扰因素，对相位的稳定性造成干扰。为了避免这种情况，这里采用了一种新型的设计，即同时使用两块SA8282芯片，分别输出三个相位。简单来说，我们先通过89C51单片机发出指令，让第1片SA8282输出A相和C相。经过为时0.625ms的延时，89C51单片机再向第二片SA8282发出指令，让其输出B相。这样一来就实现A、B两相相位差就可以调整为90°。通过软件方法来代替传统的外接电路方法，电路结构得到了改善，同时又实现了。

五、结束语

400Hz高效大功率静变电源主要应用在航空、车船等领域之中，显而易见的，这些领域对安全性的要求非常高，所用到的静变电源必须满足高规格的要求。为了满足生产生活中对电源性能指标的要求，针对静变电源，本设计中提出了一种型新颖的数字化设计方法，针对传统方案提出了数条改进措施，主要包括以下三条：电路的重新设计、对控制电路做数字化改造以及采用重复型控制算法。