基于DSP的中频电源的设计与研究

周超 吕娟 席泽敏

（1. 海军工程大学 电子工程学院，武汉 430033; 2. 长江工程职业技术学院，武汉 430033）

1 引言

400 Hz中频电源作为现代舰船中的一种重要供电电源，是一种能够将工频电能转变为中频电能的变频装置，其频率变化范围可以不受电网频率的限制，为雷达、声纳、通讯设备等众多精密电子类负载提供高品质电能的重任。与传统的变频发电机组相比，中频电源有效率高、噪声低等优点，供电性能指标也随着电力电子技术的进步最终超过机组电源。因此，本文设计了基于DSP技术的静止中频电源。它采用基于 DSP 的实时数字 PI 调节器，实现整个电路系统的稳态和暂态特性，最终输出谐波含量极少的 400 Hz正弦波。

2 中频电源电路设计

2.1 逆变系统的基本结构[1,5]

逆变的直接功能是将直流电变换成交流电。逆变系统的核心是逆变电路，通过电力电子开关的导通与关断，完成逆变的功能。电力电子开关器件的通断，需要一定的驱动脉冲，这些脉冲可以通过改变电压信号来调节，产生和调节脉冲的电路通常称为控制电路(或控制回路)。在逆变电路中，除了逆变电路和控制电路之外，还要有保护电路、辅助电路、输入电路和输出电路，如图1 所示。

图1 逆变系统的基本结构框图

2.1.1 输入电路

当输入电源为工频交流电时，输入电路由整流电路和滤波电路两部分组成。为此，可以保证逆变电路的输入为较为稳定的直流电。

2.1.2 逆变电路

逆变电路是整个逆变系统的核心部分，由逆变开关器件（这里采用IGBT模块）组成全桥电路，完成直流电到400 Hz中频电的逆变。

2.1.3 输出电路

输出电路一般包括输出LC滤波电路和中频隔离降压变压器。利用LC滤波电路对逆变后的中频电进行开关频率附近谐波的滤波，再由隔离降压变压器的漏抗进行进一步滤波，并且对输出电压进行降压，得到满足实际需要的稳定400 Hz中频电压。

2.1.4 控制电路

控制电路由电压采样反馈电路、触发驱动电路组成，实现对逆变电路中开关器件的控制。在逆变系统中，控制电路和逆变电路同样重要。它先通过采样输出电压，再由DSP技术实现PWM多路输出，由触发驱动电路对PWM信号进行隔离放大，将放大后的PWM信号作为逆变电路的开关器件的触发信号，实现整个逆变过程，最终实现400 Hz中频电压的稳定输出。

2.1.5 保护电路

保护电路包括输入欠压、过压保护电路，输出欠压、过压保护电路，过载保护电路，过流保护电路。

2.1.6 辅助电路

辅助电路的功能是将逆变器的输入电压变换成直流电压。为控制电路提供合适的稳定直流电压，保证控制电路的正常工作。

2.2 中频电源的主电路及工作原理

2.2.1 中频电源主电路

主电路如图2所示。

2.2.2 中频电源工作原理[2]

图2 中频电源主电路

工频交流电压经全桥不可控整流电路整流后，输出到滤波电路，由滤波电容C1对直流母排上的直流电压进行滤波，滤波后供给逆变电路，逆变开关器件（IGBT）V1、V2、V3、V4在驱动信号作用下，由正弦脉宽调制技术将直流电压变成400 Hz的中频交流电压，经滤波隔离降压后供给负载。

3 中频电源单相逆变电路的数学模型[4]

图3是带LC滤波电路的400 Hz单相全桥逆变等效电路。其中R是等效电阻，它综合考虑了滤波电感L的等效串联电阻、死区效应、开关器件导通压降、线路电阻等逆变电路中的各种阻尼因素，U是逆变桥输出电压，I是负载电流。假设开关器件工作在理想状态，可以采用状态空间平均法来得到逆变电路的线性化模型。

图3 单相全桥逆变等效电路

选择电容端电压U和电感电流IL作为状态变量，将I看作为逆变电路的一个外部扰动输入量，可以得到逆变电路的状态方程为：

其中：x= [ULI]T，u=[U I]T，y=U，

由状态空间平均模型可以推导出双输入同时作用时系统的s域输出响应关系式：

4 中频电源的仿真分析[3]

为了验证上述理论分析的正确性，采用MATLAB中的Simulink建立中频电源仿真模型，如图4所示，并进行仿真分析。

由仿真模型仿真得到任意一相的输出电压，并由fft分析得到仿真结果，如图5所示。

由图5可得，输出电压为400 Hz的中频电压，并且电压的THD=2.99%。因此，由本文设计的逆变系统对工频电压进行变频后，可以得到谐波含量较少的400 Hz中频电压。

图4 中频电源仿真模型

图5 输出电压的fft分析图

5 结束语

本文介绍了基于 DSP技术中频电源的简单实现方法，分析了中频电源的工作原理，同时建立了数学模型。由仿真结果表明：

（1）本文设计的中频电源能较好的实现 50 Hz工频电压到400 Hz中频电压的转变；

（2）中频电源中逆变后的滤波电路能够较好地实现对逆变后开关频率的滤波。

设计的基于DSP技术的中频电源在舰船、航空、航天等领域具有一定的推广应用价值。

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