程控三相精密線性功率源的設計

摘要：針對某些領域對三相程控高精度電源的需求，提出了一種三相功率源的設計方法。該方法主要利用單片EPROM實現三相穩定信號源的產生，采用同步跟隨電源技術進行線性功率放大，采用功率合成技術實現大功率輸出。測試結果表明該功率源波形失真小，輸出穩定度高，可靠性好，已應用于某軍用測試設備中。

關鍵詞：三相功率源；程控；線性功放

Design of Programmable Three-phase Precise Linear Power Source

LI Gui-xiang,WANG Long-gang

Abstract:According to the requirement of the three-phase programmable high precise power supply in some fields, a new method of design for the three-phase power source is presented. This method uses an EPROM to accomplish the generation of the three-phase stable signal source, adopts the technology of synchronous follow-up power supply to fulfil linear power amplification of the signal, uses the technology of power synthesis to accomplish the high power output.The experiments and tests show that the power source offers a small harmonic distortion, the output has high stability and high reliability. In addition, the power source has successfully been used in a military test equipment.

Keywords:Three?phasepowersource;Programmable;Linearpoweramplification

1? 引言

??? 當前在儀表、醫療、自動測試行業廣泛要求高精度的三相電源。目前交流穩壓調壓方式大致可以分為三種：一是機械調壓穩壓式；二是脈寬調制（PWM）逆變穩壓方式；三是線性放大逆變方式。這三種工作方式各有優缺點：機械調壓穩壓式反應速度慢，且只能輸出與市電頻率一致的電壓；脈寬調制（PWM）逆變穩壓方式輸出功率范圍寬、效率高、輸出電壓中高頻噪聲和波形失真較大，不易實現三相電源的相位控制；線性放大逆變方式容易實現輸出交流的高精度、高穩定度、反應速度快、但電源效率較低，實現大范圍內電源調整需要輸出電壓分檔。

??? 本文充分考慮了某些行業對程控、高精度、三相電源的要求及對功率輸出相對要求較低的情況，采用了線性放大逆變方式。其主要特點是：采用新型功放模塊主振放大式電路，電路全集成化、體積小、穩定性好、可靠性高，輸出的交流電壓、電流、頻率均可程控或手控，并具有過載保護功能。

2? 主要性能指標

??? 其主要性能指標如下：

??? ——輸出電壓0～380V；

??? ——輸出電流0～2A；

??? ——輸出功率≥3×80W；

??? ——失真度≤0?8％；

??? ——頻率穩定度≤10－6；

??? ——三相不對稱度≤0?02°。

3? 總體構成及原理

??? 該三相交流電源的總體原理框圖如圖1所示。主要由時鐘信號產生器、二進制計數器、波形數據存儲器、具有緩沖特性的D/A轉換器、運算放大器及線性功率放大器、光電耦合過載保護電路、同步跟隨電源、直流電源電路等部分組成。整個電路由計算機進行控制。

圖1總 體 原 理 框 圖

??? 程控三相精密線性功率源基本原理是首先利用單片存儲器產生三路三相高穩定的正弦波信號，并實現三路信號的幅度、頻率同步控制，然后利用大功率的功放器件，將三路信號進行功率放大，最后隔離輸出形成三相功率源信號。

4? 關鍵技術

4.1? 系統軟件及控制方式

??? 系統軟件采用LabWindow/CVI等專用儀器軟件編制，其豐富的圖形編輯和強大的功能數據分析處理庫，較其它通用軟件有明顯的優勢。

??? 系統采取同步發送方式，其中一組28位的串行碼流專門傳輸數據（見圖2），前8位為密碼信號碼，只有滿足本通信協議的數據才能進入后續電路，保證了信號發送與接收的糾錯及抗干擾能力；4位的電源號表示最多可16個電源模塊同時工作；4位的電流數據表示電流分16檔；12位的電壓數據保證了交流電源輸出的高精度。

圖2? 串 形 碼 流 數 據 示 意 圖

4.2? 三相穩定波形的產生

??? 首先介紹波形數據存儲方式，這里以選用27256作存儲器為例詳細說明正弦波的數字量化及其存儲方法。27256的容量為32k×8，將其等分為四區，即0000H～1FFFH范圍的8k單元定義為A相區；2000H～3FFFH范圍的8k單元為B相區；4000H～5FFFH范圍的8k單元為C相區；6000H～7FFFH范圍的8k單元為放置清零信號的D區。將一個周期的正弦波在時間坐標方向上等分為7200點。A、B、C三區各存放一個周期的正弦波數據（參見圖3）。這里A相區每一單元的數據選定為0°～359.95°，某一點對應的正弦函數值加上80H，其中以0°對應的正弦函數值為第一點存在0000H首單元，每隔0.05°取一點，存入下一單元；B相區相對于A相區滯后120°，其中該區的第一點為240°對應的正弦函數值，每隔0.05°取一點；C相區相對于A相區超前120°，其中該區的第一點為120°對應的正弦函數值，每隔0.05°取一點。每區存放7200點數據，即一個周期的正弦波數據。D區的前7200點為00H，第7200個數據為80H，用來產生計數器清零信號，其它點為任意數值。

圖 3三 相 正 弦 波 存 儲 示 意 圖

??? 其簡要工作過程為：波形數據存儲器EPROM在地址計數器的控制下，前三個時鐘依次輸出A相區的第一個數據、B相區的第一個數據、C相區的第一個數據，并分別在三路D/A的第一級緩沖器中鎖存，當第四個時鐘到來時將三路D/A第一級緩沖器中的數據同時存到第二級緩沖器中完成數模轉換，經運算放大器同時輸出三相信號的各一點。再經過四個時鐘產生第二點，以此類推，4×7200個時鐘到來后完成了一個周期的三路正弦波信號的產生過程，同時最后一個時鐘在波形數據存儲器的D區輸出作用下產生清零信號將計數器清零，準備產生下一個周期三相正弦波。

4.3? 線性功率放大

??? 乙類線性功率放大穩壓方式及功率合成：由于采用線性放大交流穩壓方式的最大難題是如何降低放大模塊上的功耗。為了減小失真，目前一般采用乙類功放，其各指標計算公式如下：

??? 1）輸出功率Po

?????????? Po=(1/2)·(Uom2/Rl)

式中：Uom——輸出電壓峰值；

????? Rl——負載電阻。

??? 2）管耗Pc

????????? Pc=（2/Rl）(Ec·Uom/π－Uom2/4)

??????????? =Po〔(4/π)·Ec/Uom－1〕

式中：Ec——電源電壓。

??? 3）效率η

????????????????? η=(π/4)·Uom/Ec

??? 顯見，如果Ec恒定，為了獲得相同的輸出功率，輸出電壓幅度減小，管耗增大，特別是極限情況下，例如電源電壓是輸出電壓的十倍時，效率僅0.078根本就輸不出功率，即使能輸出，也沒有這樣的功放器件可供選用。

??? 為解決上述問題，采取了電源電壓Ec與輸出電壓幅度Uom的同步跟隨技術，如圖4所示。如果基本滿足Ec≈Uom的條件，則η≈0.78，Pc≈0.27Po。其功率的效率能始終保持較高值，且管耗僅與輸出功率有關，不至于出現輸出電壓降低，放大器功耗增加的現象，從而有效防止功放因過熱而損壞。

圖4? 電源電壓與輸出電壓幅度關系圖

??? 采用供電電源的自動調整及功率合成技術，最大限度地解決了降低功率放大器件的功耗和增大輸出功率的相互制約問題。但功率合成一直是大功率輸出的一大難題，經反復試驗，采用圖5所示的功率合成原理，有效地解決了這一問題。由于主功率放大與從功率放大的輸出電壓大小與相位完全一致，實現了兩功放輸出電流的直接相加，最終形成了多功放的功率的合成。圖5僅列舉了兩功率的合成情況，多功放合成的原理也完全一致。

圖5? 多功放的功率合成

4.4? 過載保護

??? 1)總線與模塊的隔離為了保證計算機與模塊絕對隔離，而采用光電耦合技術，但要特別注意的是總線與模塊的GND1與GND2絕對不能共地（見圖6）。

圖6? 光電耦合隔離電路

??? 2)過載保護電路一般電源的電流檢測都是利用電阻串聯的方法來完成的，在檢測電流較大時會嚴重影響電路的正常工作及電源精度。而采用新型器件MAX471進行電流的檢測可以解決上述問題。具體電路如圖7所示。當RS＋流向RS－的電流為1A時，OUT端輸出＋1V的電壓，相當于1A/V電流電壓轉換器。

圖7? MAX417構成的電流檢測電路

5? 結語

??? 本文介紹的程控三相精密線性功率源的設計方法，是各種技術有機的融合，不但解決了三相正弦波的產生、功率放大及合成、過流保護等問題，而且實際產生的三相電壓具有波形好、頻率調節方便、可靠性高等特點。實驗證明其三相不對稱度≤0?02°。根據該設計制做的系列三相正弦波信號模塊已用于某大型自動測試設備，工作穩定可靠。

參考文獻

[1]? 李桂祥.模塊化高精度程控交流穩壓電源的設計與實現[J].計算機自動測量與控制.2000.(4)