2KW双极性、宽频带  DCAC设计与分析

摘要：本文详细介绍了输入为2路300VDC，输出为20Hz-1KHz，0-300VAC的双极性调制的逆变器的设计过程，以及在设计过程中出现的问题及解决方法，站在系统设计的理念上，运用EMC的理论，通过大量的波形和实验数据，展示了产品设计的过程。

1. 引言
        本文介绍的DC-AC转换器，仍然基于最基本的双极性调制的PWM转换器的原理，但在许多细节上，有着不同之处：(1)采用了交流串并联的方式，以扩大输出功率；(2)输出多阶滤波，但在多阶滤波之前引入反馈，增加了系统的稳定性；(3)载波50KHz，提高了对负载的反应速度，使得输出频率可达1KHz；(4)巧妙的PWM信号的再调制驱动设计，输出等宽的调制脉冲，不采用光耦驱动，又避免了脉冲变压器由于脉宽的不相等而引起的电平的变化。

2. 原理分析
2.1 原理概述
         双极性调制的DC-AC转换器其核心的原理是通过三角波uC切割正弦波ur(给定)，将模拟信号转换为PWM信号uo(图1)，然后比经过大功率的变换，产生可以输出大电流的PWM的高电压信号，最后经过低通滤波后，还原成正弦波信号uof，可以在较大负载下，保持其波形不变，具备交流电源的特性。 2.2 主回路设计
    Q1-Q8、Q9-Q16分别构成DC-AC的两个全桥(见图2)，栅极驱动信号便是双极性的PWM信号，功率变换后的PWM信号经差模电感L1、R3、4、5及C5及共模电感L3后引出反馈信号，跟踪给定的正弦波信号，然后两路信号并联或串联，再经过两个二阶的LC滤波器，输出与给定波波形相同的正弦波信号。 2.3 驱动电路设计
         驱动电路的原理非常简单：调制后的PWM信号经过驱动芯片及三极管的功率放大后，经过脉冲变压器，达到隔离变换的作用(图3)。这里需要说明的是供给脉冲变压器的并不是PWM信号，而是调制后的PWM信号：图3中U23的信号上面的信号是PWM的上升沿的信号加上一个固定的脉宽(即图4中UT信号的正脉冲)，下面的信号是下降沿的信号加上一个固定的脉宽(即图4负脉冲)，换句话说：脉冲变压器只传送PWM的沿信息，而不传送PWM的整个脉宽，这是如何来做到的呢？请参阅下一节的说明。传送完沿信息后，将沿信息恢复成标准的PWM信号(见图4)，然后再送全桥的驱动。完成图2中场效应管Q3、4、5、6、11、12、13、14的导通和截止的功能。
        U24的信号是完成反方面加电的过程，即完成图2中场效应管Q1、2、7、8、9、10、15、16的导通和截止的功能。分析中没有考虑死区的影响。          图4的原理为：在UT的正脉冲的上升沿，场效应管Q25导通，Q29截止，但Q29中的二极管是导通的，因此加在R26即全桥上的栅极信号是正脉冲的上升沿；在UT的正脉冲的下降沿，两个场 效应管Q25、26都截止，依靠全桥场效应管的栅极电容的保持，保持正电压不变；在UT的负脉冲的下降沿，Q29导通，Q25截止，但Q25中的二极管是导通的，因此加在R26即全桥上的栅极信号是负脉冲的下降沿；在UT的负脉冲的上升沿，两个场 效应管Q25、26都截止，依靠全桥场效应管的栅极电容的保持，保持正电压不变；这样，调制后的PWM信号恢复成标准的PWM信号。图中D18、D22为稳压二极管，起降压的作用。

2.4 控制电路设计
       如何将PWM信号变换为等宽的调制PWM信号呢？以下电路便能完成这个变换(见图5)：R9、C9、D6，R10、C10、D7，R15、C12、D12，R16、C13、D13，构成上升沿和下降沿的固定脉宽电路，R8、C8是死区电路，延时MOS管的开通时刻。         反馈信号的处理电路与普通的PID电路不同的是，加入了反馈的微分控制电路，与电流反馈的作用是相同的，增加快速反应的能力，增加系统的稳定性。

3. EMC设计
3.1 同步协作消除干扰
       由于电源的功率较大，密度较高，EMC的考虑需要非常谨慎，特别是DC-AC供电的直流母线的设计，要做到纹波和噪声都要小，设计中直流母线是运用了DC-DC开关技术，开关频率也为50K，同时与DC-AC同步。这样DC-DC的噪声便与DC-AC的噪声完全分开。

3.2 Y电容及共模电感的使用：
        图2中的C81、C82是Y电容，是抵抗共模干扰的必要器件。它们与共模电感一起，把共模干扰旁路到机壳，不会影响到测量电路的稳定性。 

4. 实验及数据
4.1 磁珠的选用
        开始实验时，总是发生MOS管烧毁的情况，分析三角波与COMP(给定与反馈的比较及运算波形)发现：场效应管的开通及截止，严重影响了控制逻辑，造成PWM的严重不稳(图6)，于是在场效应管栅极增加了延时，让场效应管的开通及截止都在三角波切割之后进行(图7)，解决了MOS烧管的问题。 
4.2 样机数据
        所测数据是整机的数据(见表1)，由于前面包括DC-DC及PFC，实际DC-AC的效率要远比表中的数据高。
(表1)

输出频率(Hz)	输出电压(V)	输出电流(A)	负载电阻(Ω)	THD(%)	输出功率(W)	效率(%)
50	100	2	50	0.15	200	58.651
50	150	3	50	0.12	450	71.09
50	200	4	50	0.09	800	77.2201
50	250	5	50	0.08	1250	80.3342
50	250	6	41	0.08	1500	80.171
50	250	7.22	34.6	0.08	1805	81.6373
50	250	7.8	32	0.08	1950	81.5558
50	250	8.33	30	0.08	2082.5	81.9882

 
                             
5. 结论
         本文介绍的DC-AC转换器，具有很高的实用价值，特别对于高电压、高频率、高密度的AC电源的设计，有一定的参考意义，而且可以扩展到更高的频率和电压特种电源。

参考书目及文献：
        王兆安、黄俊：《电力电子技术（第四版）》[M] 北京：机械工业出版社　2000