系统主回路的设计 - 基于DSP控制的数字移相器—变压变频器模块的设计

系统主回路的设计

　　1 Buck主电路设计

　　① 整流部分

　　整流单元如图2，根据系统要求，交流输入220V，输出最大10A，整流后空载输出为约310V(最大)，带负载(约5A)后，直流电压大约下降8～9V。

　　

 

　　图2 整流滤波电路图

　　E1为整流后进行滤波，如果电容值过大，寄生电感电阻过大，会造成不必要的能量损耗，而且在上电瞬间，会造成整流桥瞬间冲击电流过大。

　　本次设计采用为耐压450V的电解电容C=1200μF。整流桥采用KBPC5010型二极管，耐压为1000V，正向平均整流电流IF(AV)=50.0A(t=55℃),且体积较小、发热低、较实用，所选器件符合本设计的要求。

　　② 降压部分

　　降压电路如图3所示。

　　

 

　　图3 Buck降压单元

　　根据系统要求，直流输入最大300V，直流输出最大60V，电流输出最大10A。本电路中的IGBT采用FGA25N120AND，VCES=1200V，IC=20A，trr=235ns，参数满足实验要求。

　　Vref为直流电压输入，R0、C0为无感阻容吸收部分，以吸收IGBT关断瞬间储存的能量和滤除尖峰，RS为采样电阻，DCA-DCA为电流互感器，采样输出电流，“Sample”为采样输出端。各参数具体选取如下：

　　A 无感电容C0、电阻R0的计算

　　C0=(2.5～5)×10-8×If;If为IGBT的电流(20A)，可以得出C0=0.5～1μF;

　　R0=((2～4)×535)/If=53.5～107。

　　实际实验中，经过不同RC的匹配，最终选择电阻R0为100Ω/5W、C0为1μF/630V。

　　B 分压采样电阻的选择

　　为了不影响后级输出，分压支路电流应尽可能的小，分压电阻尽量大，但考虑到电阻越大，内部噪声也越大，二者折中。DSP采样电压最大为3V，而直流输出最大为60V，故设定分压比例为1/20，选取如下：RS=5KΩ/0.1，RS=250Ω/0.1。

　　C 电感L的选择

　　输出电感的量值对于在开关关断时维持到负载的电流十分关键。为了能在最极端的输出电压和输入电流条件下保证最小的电感值仍然支持降压变换器的输出电流,从而向负载输出电流,这个最小电感值是需要确定的一个量值。

　　下式为一经验公式，用于确定一个连续Buck变换器所需的临界电感值。

　　

 

　　其中，f为IGBT的开关频率(10～20kHz)，D为占空比，IO为输出电流(5～10A)。可计算得LC=2.5～5.0mH，本设计取5.0mH。

　　输出Vdc=50V，Imax=10A，Rs采样输出电压，通过线性光耦，由DSP进行PID运算调节输出PWM信号，使Buck电路输出电压恒定50V。

　　D 滤波电容E2的选择

　　输出端电容器(E2)是为了使输出电压变得平滑而使用的，升压型的产品因为针对负载电流而断续地流入电流，与降压型产品相比需要更大的电容值。在输出电压较高以及负载电流较大的情况下，由于纹波电压会变大，因此根据各自的情况而选用相应的电容值，推荐使用2000μF以上电容器。

　　为了获得稳定的输出电压，最好选用等效串联电阻(ESR)较小且容量较大的电容器。特别推荐使用低温特性及泄漏电流特性等优异的钽电解电容器或有机半导体电容器，而且采用小容值电容与大电容(耐压等级相同)并联可起到消除高次谐波与降低等效串联电容的作用。

　　本次设计中，设定IGBT开关频率为f=10kHz，电感L=5.0mH，E2=2000μF/400V，钽电解电容器。

　　③ 纹波改善

　　在实验中发现，纹波与电感有较大关系，当输出电流未达到电感磁芯的饱和电流时，输出尖峰较小;当达到电感磁芯的饱和电流时，输出尖峰瞬间增大。改善电感及磁芯，采用饱和电流较大的电感，在尖峰较小的情况下，可以达到电流标准值。

　　由实验波形图可知，在IGBT开关时刻产生纹波。改善IGBT开关状态可以降低纹波，在IGBT门极之前串联一25Ω电阻，可改善IGBT导通情况。输出直流50V纹波波形见图4。

　　

 

　　图4 Buck单元输出直流50V时纹波波形(×10)

　　可见，纹波大小为530mV(+1.1%)满足本设计的要求。

　　2 三相桥式逆变的设计

　　图5给出了一个典型的三相逆变器的结构。其中，Va、Vb、Vc是逆变输出三相电压，分别接三相负载，D1～D6为续流二极管。PWMx和PWMx_(x=A、B、C)控制逆变器的6个电压功率管，当一个功率管的上臂导通时(PWMx=1)，同一个功率的下臂关断(PWMx_=0)。

　　

 

　　图5 三相逆变桥

　　① 功率管IGBT的选取

　　系统要求直流输入Vdc最大60V，电流最大10A，输出频率最高100Hz，IGBT开关频率最高3.3kHz(载波比N=33)。根据系统要求，本设计选用FairChild公司FGA25N120AND型IGBT，参数为VCES=1200V，IC=20A，trr=235ns。

　　② 无感阻容吸收RC的选取

　　RC选取如下：无感电阻R1～R6= 100Ω/5WΩ，无感电容C1～C6=1μF/630V。

　　③ LC滤波的设计(无源滤波)

　　逆变输出三相电压Va、Vb、Vc经LC滤波后，以得到平滑的正弦波，分别接三相阻性负载(7Ω)，负载连接方式为星形连接。LC原则上只允许基波(中心频率)通过。

　　本设计要求输出频率为50～100Hz，可计算得LC=1.01×10-5～2.53×10-6。

　　图6中，滤波LC的值由经验值和实际实验中比较确定，权衡最小值和最大值，最终选取LA～LC=0.98mH，CA～CC=2μF/500V±5%。

　　

 

　　图6 LC滤波

　　本设计中，LC滤波为无源滤波，虽然结构简单，成本低，但是有一个缺点：只能有一个中心频率，当输出频率改变时，中心频率不能跟随变化，使输出波形稍有畸变。若采用有源滤波器，满足不同频率范围的输出，而波形畸变可以减小到最小，但是相应的成本则会增加。

　　本设计中无源滤波虽然在不同频率时使波形有些畸变，但是可以满足系统输出的要求。