一种1 200 Hz/40 kW正弦波三相逆变电源的设计

杨 亮，张 俊，付寒瑜，王 杰

(中国船舶重工集团公司第七二三研究所，江苏 扬州 225001)

一种1 200 Hz/40 kW正弦波三相逆变电源的设计

杨 亮，张 俊，付寒瑜，王 杰

(中国船舶重工集团公司第七二三研究所，江苏 扬州 225001)

针对传统真空管放大链中应用400 Hz逆变电源导致大功率雷达发射机内高压变压器体积、重量过于庞大的弊端，设计了一种输出1 200 Hz/40 kW的三相逆变电源，可为发射机中高压变压器提供高质量高频正弦波电压。该逆变电源具有输出谐波低、动态响应好、稳定度和可靠性高等特点，且可明显改善雷达发射机的体积和重量。

高压变压器；正弦波；逆变电源

0 引 言

传统的雷达发射机使用高压变压器产生高压直流电，其中高压变压器输入端接中频400 Hz逆变电源。当雷达发射机所需功率超过30 kW时，对应的高压变压器体积过于庞大，安装和维护很困难，为减小高压变压器的体积，将高压变压器输入电压频率提高到1 200 Hz。

本文重点研究1 200 Hz/40 kW正弦波三相逆变电源，分别从其工作原理、功能模块的设计和实验3个方面进行介绍。

1 逆变电源原理

逆变电源要求具有如下几个特点：

(1) 输入电流总谐波失真(THD)低至5%以下；

(2) 输出电压谐波小于2%；

(3) 超低电压调制量；

(4) 动态响应好；

(5) 稳定度和可靠性高，源稳定度和负载稳定度小于1%；

(6) 采用网络通讯，实现远程监控和多机组网。

三相逆变电源分为隔离型与非隔离型[1]，在工业应用场合，三相逆变器常采用先高频隔离再逆变的方式。其中，逆变部分选用三相六桥臂拓扑结构，这样有利于减小电源的体积、提高整机效率以及降低成本等。在发射机高压变压器应用场合，三相逆变器常采用先逆变再工频隔离的方式。其中，逆变部分由3个独立的单相全桥逆变器构成。这种方式虽然在体积、成本和效率上不占优势；但有利于提高整机的可靠性，抗三相不平衡负载能力较强。综合考虑，本文采用后者方式，设计出1 200 Hz/40 kW的逆变电源，原理框图如图1所示。

逆变电源的工作原理：三相输入交流AC380 V/50 Hz送给加电控制模块，加电控制模块控制三相电到3个功率逆变单元，信号控制单元控制功率变换器输出峰值为650 V的正弦波脉冲宽度调制(SPWM)波，SPWM波经过1 200 Hz的变压器隔离降压后送给LC滤波器，最后输出三相交流AC260 V/1 200 Hz的正弦波电压。

2 电气设计

2.1 加电控制单元设计

加电控制单元原理框图如图2所示。

逆变电源在AC380 V/50 Hz输入电源线上会产生共模和差模干扰，选用具有优良共模和差模干扰抑制特性的电磁干扰(EMI)滤波器，来保证设备符合电磁兼容标准中高频传导测试要求。此外，选用施耐德LC1D系列接触器对电源内部加电断电进行控制，并对主开关输出的AC380 V/50 Hz电压进行采样，实现缺相、过压、欠压保护并将故障信息上报信号控制单元。其中，辅助电源通过继电器实现加断电控制。

2.2 信号控制单元设计

信号控制单元是整个电源的核心，分为波形产生、波形控制、接口通讯和控制保护4个单元。

本设计的信号控制较常规电源具有如下特点：

(1) 波形产生采用Altera新一代高速可编程逻辑器件EPM570T100，可以提高采样精度，将基准波形失真度降低至1%以下，可以在线实现输出频率微调，通过编程方便地实现同步脉冲频率调节。

(2) 波形控制单元采用先进的具有电流内环和电压瞬时值校正的控制方法，该控制方法可以对输出电压的波形、幅值、频率进行精确控制，瞬时值控制可以大大提高电源的输出电压品质和输出动态特性。

(3) 接口通讯单元采用AT90CAN系列微控制器，采用网络通讯实时传输电源的参数和工作状态，可以在线配置IP，实现多机组网通讯，同时预留有CAN通讯接口。

信号控制单元的控制流程如下：波形产生单元产生1路同步脉冲到3个波形控制单元，并作为波形控制单元产生三角波的同步信号；波形控制单元的比例积分(PI)误差放大环路输出反馈到波形产生单元，经过综合后输出幅度随之变化的基准正弦波，其作为波形控制单元校正输出电压的基准使用；波形控制单元输出SPWM波到功率逆变模块，作为功率逆变的控制波形。控保板完成整个电源的故障保护和逻辑控制，接口单元主要功能是电源的数据采集、参数显示、接收本机和整机的按键指令及网络通讯。信号控制单元组成框图如图3所示。

2.3 功率逆变单元设计

功率逆变单元包括有源功率因数校正(APFC)和H桥变换器两部分。常规逆变电源大多采用不控整流，输入电流低频谐波含量在30%以上，会对电网造成很大的污染，采用APFC输出DC650 V作为H桥变换器的母线电压，半载时能够将输入电流低频谐波含量控制到5%以下，满载谐波含量低至3%，极大地降低对电网的谐波污染，满足电磁兼容低频传导要求。当逆变电源采用不控整流或多脉波整流时，输出电压的电压调制量在3.5 V左右，采用APFC时，APFC输出稳定的DC650V作为母线，可以将逆变电源输出正弦波电压的电压调制量由3.5 V降低到1.5 V以下，极大地提高了电源品质。

H桥变换器包含SPWM信号预处理、驱动电路及绝缘栅双极晶体管(IGBT)。SPWM 信号预处理电路将信号控制单元送来的1路SPWM信号分离为2路互补的信号，作为上、下桥臂IGBT的控制信号, 该信号经死区生成电路后输出具有2 μs死区时间的SPWM信号到驱动电路，以保证上、下桥臂IGBT不同时开通，功率逆变单元原理框图如图4所示。

2.4 变压器及LC滤波器设计

三相逆变电源输出可以用1个三相变压器或者由3个独立的单相变压器构成，由于1 200 Hz变压器相比400 Hz变压器发热量更为集中，采用一个变压器的缺点是散热困难、带不平衡负载能力差，因而采用3个独立的单相变压器。

本设计中要求每相输出功率15 kW，由于采用单个变压器，安装在机柜内体积过于庞大，拆卸困难，所以采用2个均为7.5 kW的1 200 Hz变压器初级并联次级串联输出，解决了大功率变压器体积庞大、维修性差的问题和散热问题。对于变压器采用初级并联、次级串联可以很好地实现2个变压器负载平衡，无需考虑2个变压器并联不均流的问题，以A相为例，变压器原理框图如图5所示。

其中，输出LC滤波器的作用是滤除变压器次级输出的谐波电压。

本文设计参数为：输入电压Vin=650 V，输出功率Po=45 kW，开关频率fs=24 kHz，输出相电压Vo=130 V，输出频率fo=1 200 Hz，变压器原副边匝比为n=2∶1。

滤波器电容的作用是滤除输出电压中的高频谐波含量。当电容C的取值较大时，可以减小电源输出总谐波畸变；但同时也会增加输出功率的无功分量，增大开关管和其它器件的电流。因而，滤波电容电流不能大于额定电流的1/5。

输出额定电流Io：

(1)

利用变压器次级等效漏感来充当滤波电感，可以减小电源体积、重量, 改善输出电磁兼容特性。

3 实验结果

上面一小节详细地介绍了逆变电源的工作原理以及相关参数设计，本节通过实验验证控制策略。

在三相交流380 V输入，带阻性负载输出功率40 kW时，动态响应测试结果如图6和7所示。其中，图6是电源输出满载到空载的电压和电流波形，图7是电源输出空载到满载的电压和电流波形，动态响应实测为10 V/ms。

逆变电源满功率输出时的电压、电流波形如图8所示，用功率分析仪实测输出电压总谐波含量为1.2%，电压相位误差不超过0.1°，输出电流总谐波含量低至1.3%。 发射机高压变压器实际工作状态是感性脉冲负载，逆变电源带高压变压器工作时，输出电压总谐波含量为5%，满足指标要求。

4 结束语

经过实验和实际带大功率发射机高压变压器加负载长期工作，验证表明该逆变电源输出谐波低、动态响应好、稳定度和可靠性高，可满足大功率雷达发射机使用要求。电源的效率实测为85%，可以考虑使用新一代SiC模块来替代IGBT模块，从而进一步提高电源效率。

[1] 陈坚.电力电子学[M].北京：高等教育出版社，2004.

[2] 王云平.SPWM 逆变器的数字控制技术研究[D].南京：南京航空航天大学，2007.

[3] 何中一.SPWM 逆变器控制技术研究[D].南京：南京航空航天大学，2005.

DesignofA1 200Hz/40kWSineWaveThree-phaseInverterPowerSupply

YANG Liang,ZHANG Jun,FU Han-yu,WANG Jie

(The 723 Institute of CSIC,Yangzhou 225001,China)

Aiming at the disadvantage that the volume and weight of high voltage transformer in the high-power radar transmitter is too enormous due to the application of 400 Hz inverter power supply to traditional vacuum tube amplifier chain,this paper designs a three-phase inverter power supply with 1 200 Hz/40 kW output,which can provide high quality high-frequency sine wave voltage for high voltage transformer in the radar transmitter.The inverter power supply has the characteristics of low harmonic output,good dynamic response,high stability and reliability,and can improve the volume and weight of radar transmitter obviously.

high voltage transformer;sine wave;inverter power supply

TN86

：A

：CN32-1413(2017)04-0091-04

10.16426/j.cnki.jcdzdk.2017.04.023

2017-06-06