靜止變換式航空地面電源PWM電壓控制器的設(shè)計(jì)

    目前，變換器中采用的脈寬調(diào)制控制技術(shù)主要有兩種。一種是開關(guān)點(diǎn)預(yù)置PWM控制方式，這一方案雖有開關(guān)次數(shù)少且低次諧波含量少等優(yōu)點(diǎn)，但卻存在不能自動(dòng)調(diào)壓的缺點(diǎn)。電源輸出電壓的調(diào)節(jié)需依靠另外的調(diào)壓電路，如通過調(diào)節(jié)變換器直流環(huán)節(jié)電壓來實(shí)現(xiàn)輸出電壓的調(diào)節(jié)。變換器內(nèi)部多了一個(gè)環(huán)節(jié)，因此電路較復(fù)雜，可靠性下降。

　　另一種PWM控制方式就是正弦波脈寬調(diào)制（SPWM），這種控制方式可通過提高開關(guān)器件的開關(guān)頻率來減少低次諧波的含量。這一方案雖然可以通過控制電路調(diào)節(jié)脈沖寬度進(jìn)行調(diào)壓，但電路較復(fù)雜，開關(guān)功率損耗較大，這樣在功率靜止變換電源上的應(yīng)用受到影響。

    在總結(jié)以上兩種控制方式的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)出一種新型的PWM控制方式，即“開關(guān)點(diǎn)預(yù)置可調(diào)脈寬控制方式”。這種控制方式既具有開關(guān)點(diǎn)預(yù)置PWM方式開關(guān)次數(shù)少，低次諧波含量低的優(yōu)點(diǎn)，又具有正弦脈寬調(diào)制方式自動(dòng)調(diào)節(jié)變換器輸出電壓的特點(diǎn)。因此，用此控制方式設(shè)計(jì)的控制器電路簡(jiǎn)單，采用可編程邏輯器件GAL來生成PWM波，抗干擾能力強(qiáng)，可靠性高，運(yùn)用在某型飛機(jī)的地面專用電源中，效果良好。

2  開關(guān)點(diǎn)預(yù)置可調(diào)脈寬控制原理

    利用諧波消去法優(yōu)化的PWM電壓波形如圖1所示。圖1（a）為一周期由64個(gè)方波合成的PWM電壓波形，圖1（b）為一周期內(nèi)由72個(gè)方波合成的PWM電壓波形，圖中數(shù)字表示脈沖的個(gè)數(shù)。根據(jù)諧波計(jì)算

公式（1）計(jì)算出各次諧波幅值如表1所示。

(1)

式中bn——n次諧波幅值；

    n——諧波次數(shù)；

    i——開關(guān)角序號(hào)；

    i——線電壓正半周前1/4周期開關(guān)角；

     Ud——變換器直流輸入電壓。

    從表1中可以看出，方案b中基波含量略高，且不存在3及3的倍數(shù)次諧波，利用此方案制成的變換器，其后級(jí)濾波電路會(huì)簡(jiǎn)單些，但開關(guān)頻率要比方案a高。選取哪種方案作為變換器控制方式，要根據(jù)具體要求而定，若變換器為單相且對(duì)開關(guān)頻率要求不太嚴(yán)格，兩種方案均可，但是考慮后級(jí)濾波電路時(shí)，選擇方案b更理想。若變換器為三相，則只能選擇方案b，方案a行不通，因?yàn)榉桨竌一周期是由64個(gè)方波構(gòu)成，移相120°后就會(huì)出現(xiàn)半個(gè)方波，這在控制電路中難以實(shí)現(xiàn)。

    一旦PWM電壓波脈沖個(gè)數(shù)確定后，變換器輸出電壓就是確定不變的，要想調(diào)節(jié)輸出電壓，只能改變變換器直流輸入電壓Ud，這樣就相當(dāng)于開關(guān)點(diǎn)預(yù)置PWM控制方式，另一種調(diào)節(jié)輸出電壓方式就是靠改變PWM電壓波形中各脈沖的占空比。以方案b為例，假設(shè)圖1所示PWM電壓波形是在占空比D=1時(shí)的波形，當(dāng)占空比D=0.5時(shí)輸出電壓波形（前1/4周期）如圖2所示?？梢宰C明，逆變器輸出電壓的基波及18次以下各次諧波幅值與占空比D成正比[2]。通過計(jì)算機(jī)仿真后得出不同占空比時(shí)基波及各次諧波幅值如表2所示。

    為了使變換器輸出電壓符合如圖1波形，就必須設(shè)計(jì)出相應(yīng)開關(guān)管的PWM控制信號(hào)，為簡(jiǎn)單起見，僅以單相PWM控制信號(hào)為例來介紹，三相PWM控制基本與單相的控制相同。圖3所示的四路PWM控制信號(hào)（其脈沖波個(gè)數(shù)為72個(gè)）是圖1（b）所示的電壓波形的控制信號(hào)，當(dāng)改變此信號(hào)的占空比時(shí)，就能達(dá)到調(diào)節(jié)電壓的目的。圖3中g(shù)1和g2，g3和g4是一對(duì)橋臂的控制信號(hào)波形。

    若要實(shí)現(xiàn)三相PWM控制信號(hào)，只需以g1為基準(zhǔn)分別移相120°和240°就得到了三相變換器上橋臂開關(guān)信號(hào)，而下橋臂開關(guān)信號(hào)就取相應(yīng)上橋臂開關(guān)反相信號(hào)。

3  PWM控制器的電路設(shè)計(jì)

3.1PWM控制信號(hào)的電路設(shè)計(jì)

    四路PWM控制信號(hào)g1～g4采用全數(shù)字化電路方式，以可編程邏輯器件GAL為核心。這種芯片是一種結(jié)構(gòu)靈活、性能優(yōu)越、功能可靠的可編程邏輯器件，在功能和性能上幾乎可以取代整個(gè)74LS系列、54LS系列、74HC系列和CD4000系列的器件，而且一片GAL器件就能完成幾十片74LS等系列器件完成的邏輯功能，運(yùn)行速度大大提高，同時(shí)可靠性也相應(yīng)提高。此外，GAL芯片可以反復(fù)擦除改寫，且擦除時(shí)間僅用10ms即可完成，不需采用紫外線光源，比EPROM好用許多。

    圖4是單相PWM控制信號(hào)生成電路，主要是由3片GAL來組成，其中IC1，IC2均為GAL16V8，IC3為GAL20V8。若PWM變換器輸出電壓頻率為400Hz，那么要產(chǎn)生圖3的四路PWM控制信號(hào)，控制器的時(shí)鐘脈沖應(yīng)為28.8kHz。由晶體振蕩器及其外圍電路產(chǎn)生的振蕩信號(hào)頻率為1.8432MHz，經(jīng)IC1對(duì)此信號(hào)進(jìn)行64分頻，就可得到時(shí)鐘頻率，也就是PWM信號(hào)的載波頻率，IC2的輸出單元完成時(shí)序邏輯，對(duì)時(shí)鐘信號(hào)進(jìn)行72分頻編碼，產(chǎn)生信號(hào)Q0～Q6，其中Q0～Q3為時(shí)鐘的9循環(huán)計(jì)數(shù)，Q4為時(shí)鐘的18分頻，Q5和Q6分別為時(shí)鐘的36分頻和72分頻。IC3的功能是完成組合邏輯，分

別對(duì)Q0～Q6進(jìn)行與或邏輯組合，便能產(chǎn)生Z1，Z2和g1～g4信號(hào)，g1～g4信號(hào)還應(yīng)與調(diào)壓信號(hào)PW及互鎖信號(hào)T1，T2及故障信號(hào)相綜合才是最終變換成控制信號(hào)G1～G4。

3.2自動(dòng)調(diào)壓電路

    自動(dòng)調(diào)壓電路的作用就是敏感變換器輸出電壓，產(chǎn)生受其控制的定頻變寬的脈寬調(diào)制信號(hào)PW，此信號(hào)與時(shí)鐘信號(hào)同步，只是其寬度隨變換器的輸出電壓改變而變化，當(dāng)變換器供電電壓上升而使輸出電壓也相應(yīng)升高時(shí)，調(diào)壓電路就會(huì)改變PW信號(hào)占空比，從而降低變換器輸出電壓，達(dá)到自動(dòng)調(diào)壓的目的。自動(dòng)調(diào)壓電路包括降壓變壓器整流濾波電路，PI調(diào)節(jié)電路及調(diào)制波發(fā)生器。

    圖5為調(diào)制波發(fā)生器，該電路以定時(shí)器555為核心，UI為閉環(huán)采樣電壓經(jīng)PI調(diào)節(jié)器放大后的敏感電壓，它的大小控制著PW信號(hào)的寬度，由于555的2號(hào)管腳輸入信號(hào)是時(shí)鐘信號(hào)，所以產(chǎn)生的調(diào)制波信號(hào)是與時(shí)鐘信號(hào)同步的，只是占空比不同。UI<＋5V時(shí)，VD1截止，VD33導(dǎo)通，此時(shí)PW信號(hào)占空比最大，調(diào)節(jié)電位計(jì)RP8，使PW信號(hào)占空比為1，隨著變換器輸出電壓上升，UI也逐漸上升，當(dāng)UI>5V時(shí)，VD1導(dǎo)通，VD33截止，此時(shí)PW信號(hào)占空比逐漸減小，當(dāng)變換器輸出電壓穩(wěn)定在某一值時(shí)，PW信號(hào)占空比也就固定在0.7左右。若由于輸入電壓發(fā)生變化或者負(fù)載的變化使變換器輸出電壓發(fā)生變化，偏離額定電壓，此時(shí)PW信號(hào)占空比也相應(yīng)發(fā)生變化，最終使變換器輸出電壓穩(wěn)定在額定值范圍內(nèi)，從而達(dá)到自動(dòng)調(diào)節(jié)電壓的目的。此PW信號(hào)送入IG3的9號(hào)管腳，通過G3將PW信號(hào)與g1～g4相與后，就可得到受變換器輸出電壓控制的脈寬可調(diào)的PWM信號(hào)。由此可以看出，只要增加調(diào)制波發(fā)生器等調(diào)壓電路就可實(shí)現(xiàn)開關(guān)點(diǎn)預(yù)置且脈寬可調(diào)的PWM控制，電路簡(jiǎn)單、可靠。

 3.3保護(hù)電路

    新型PWM控制器保護(hù)電路有兩種功能，一種是電流限制，另一種是故障保護(hù)。前一種是檢測(cè)出開關(guān)管電流超過其限定范圍，自動(dòng)封鎖PWM控制信號(hào)，當(dāng)電流下降至允許值后，又自動(dòng)解除封鎖。后一種保護(hù)電路是當(dāng)開關(guān)管發(fā)生過電流、超溫、過電壓等故障時(shí)，能立刻切除PWM控制信號(hào)，檢查電路，當(dāng)故障排除后按復(fù)位鍵，電路方能恢復(fù)正常工作狀態(tài)。電路分別如圖6(a)，(b)所示。這些電路圖是某型飛機(jī)地面專用電源中PWM控制保護(hù)電路。由于此變換器采用的開關(guān)管是智能型IGBT，故利用此器件的故障輸出信號(hào)設(shè)計(jì)保護(hù)電路，如圖6(b)所示，四路故障信號(hào)線分別接入四路光耦，由于IGBT內(nèi)部帶有限流電阻，故光耦前不用加限流電阻。當(dāng)有1支IGBT因過壓，過流或超溫等而發(fā)出故障信號(hào)時(shí)，74LS74的Q端為低電平信號(hào)，給IC3發(fā)出故障信號(hào)，從而封鎖PWM信號(hào)，同時(shí)發(fā)光二極管VD亮，發(fā)出報(bào)警信號(hào)。當(dāng)故障排除后，按復(fù)位開關(guān)S2，電路恢復(fù)正常狀態(tài)，封鎖解除。圖中電容C是吸收干擾信號(hào)，防止74LS74誤觸發(fā)。

    電流限制電路工作過程如下：當(dāng)流過IGBT的電流IA高于限定值時(shí)（或－IA低于負(fù)限定值），LM358輸出信號(hào)1由高電位跳變至低電位，此信號(hào)送入IC3的“1”號(hào)引腳，通過IC3與g1～g4相與，從而封鎖PWM控制信號(hào)，流經(jīng)IGBT的電流便逐漸下降，當(dāng)下降至限定值以下時(shí)，LM358又由低電位跳變?yōu)楦唠娢?，解除PWM信號(hào)封鎖，電路進(jìn)入正常狀態(tài)。

    此外，此PWM控制器還具有軟起動(dòng)功能和互鎖功能。用在某飛機(jī)地面電源中，效果良好，沒有出現(xiàn)過故障。

4  結(jié)語

    以可編程邏輯器件GAL和調(diào)制波發(fā)生器構(gòu)成的PWM控制器，使用的器件少，電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，控制方便，具有較強(qiáng)的抗干擾能力。實(shí)踐證明，采用“開關(guān)點(diǎn)預(yù)置可調(diào)脈寬技術(shù)”在大功率地面電源中應(yīng)用非常成功。此外，這種技術(shù)還可推廣應(yīng)用于內(nèi)、外場(chǎng)或?qū)嶒?yàn)室獨(dú)立電源等方面，為軍、民用飛機(jī)或其他工業(yè)領(lǐng)域提供性能與可靠性均高的靜止變換式地面電源。