基于Multisim的PWM整流采样调理电路设计

李中原，尚德堉，孙峥翰，周远鹏

（贵州航天林泉电机有限公司，贵州 贵阳 550008）

0 引 言

随着装备系统体积小型化和供电系统功率越来越大，PWM整流器正朝着高频化方向发展。目前MOSFET代替IGBT作为整流开关管以获得更高的频率，高频率可以很大程度上提高交流侧波形正弦度，同时减少直流侧纹波，减小系统的体积，减轻重量，并使系统的整体性能得以提升[1]。但是频率的提高会带来严重的电磁兼容问题，大功率PWM整流器的工作电压和电流都很大，在开关过程中主功率开关器件会产生非常高的电流和电压变化率，通过电路中的寄生电感和寄生电容产生强烈的瞬态噪声[2]。噪声的频谱范围非常宽，在这种状态下采用传统的屏蔽方法或简单的滤波抑制电磁噪声难度都非常大，因此PWM整流器采样电路及信号调理电路的设计十分重要[3]。

1 总体技术方案

传统PWM整流器中的采样及信号调理电路主要由采样电路、RC滤波电路、过零比较电路以及电平转换电路组成，电路简单，易于实现。但是在大功率场合，由于电磁干扰严重，高频噪声叠加在采样信号上使采样信号中的毛刺严重，RC滤波难以滤除噪声干扰，会导致过零点检测异常，系统工作发生紊乱[4]。针对电磁干扰严重的问题对滤波电路进行重新设计，采用性能更好的有源滤波器替代无源RC滤波。相较于RC滤波，有源滤波器的体积更小且性能更稳定，其主要由集成运放与RC网络组成，集成运放具有增益高、输入阻抗高以及输出阻抗低的特点。此外，有源滤波器还兼有放大与缓冲的作用，即一方面可以突出有用频率信号，衰减无用频率信号，另一方面能够抑制干扰和噪声，实现提高信噪比或选频的目的[5]。PWM整流器采样及信号调理电路原理框图如图1所示。

图1 采样及信号调理电路原理框图

2 有源二阶滤波器设计

2.1 有源二阶低通滤波器设计

有源二阶低通滤波器由两节RC滤波电路和同相比例放大电路组成，如图2所示。在集成运放输出与集成运放同相输入之间引入一个负反馈，其在不同频段反馈的极性不同。当信号频率f>>fc时，电路的每级RC电路相移趋于-90°，两级RC电路的移相到-180°，电路的输出电压与输入电压的相位相反，此时通过电容C引入到集成运放同相端的反馈是负反馈，即此时的输入信号将被反馈信号削弱，从而减小电压的放大倍数。在这种反馈下，二阶有源低通滤波器具有高输入阻抗和低输出阻抗的特点，其幅频特性高频端迅速衰减，只允许低端信号通过[6]。

图2 有源二阶低通滤波器

要求有源二阶低通滤波电路的截止频率为1 kHz，根据理论计算步骤对其进行计算。由衰减估算式-20ndB/十倍频，算出n=2。当设计滤波电路的品质因数Q=0.707时，电路的滤波效果达到最佳。所以在电路分析计算时，如果对品质因数没有特殊要求，那么可以将品质因数Q看作一常数来处理，即Q=0.707，并基于此来设计电路。先取C1=C2=C，然后再计算R1和R2，此时C必须满足，单位为μF。据此公式及已知条件可得C1=C2=0.01 μF，经核算Q=0.707无解，电路必须满足Q≤0.5，故取Q=0.5。最后得R1=R2=15.9×103Ω，R3=R4=0 Ω。

2.2 有源二阶高通滤波器设计

有源二阶高通滤波器与二阶低通滤波器的原理相似，如图3所示，不同之处是二阶有源高通滤波器具有高输入阻抗与低输出阻抗的特点，其幅频特性在低频端迅速衰减，只允许高端信号通过[7]。

图3 有源二阶高通滤波器

要求有源二阶高通滤波电路的截止频率为500 Hz，根据理论计算步骤对其进行计算。由衰减估算式-20ndB/十倍频，算出n=2。当设计滤波电路的品质因数Q=0.707时，电路的滤波效果达到最佳。所以在电路分析计算时，如果对品质因数没有特殊要求，可以将品质因数Q看作一常数来处理，即Q=0.707。基于品质因数Q=0.707来设计电路，先取C1=C2=C，然后再计算R1和R2。此时C必须满足，单位为μF。据此公式及已知条件可得C1=C2=0.02 μF，R1=11.5×103Ω，R2=22×103Ω，R3=R4=0 Ω。

3 三相PWM整流信号调理电路设计

三相PWM整流信号调理电路主要由电压信号采样调理电路和电流信号调理电路组成。电压、电流信号调理电路原理相同，对主功率部分的电压和电流进行采样检测，将其转换为测量信号，从而对主功率部分及控制部分进行可靠隔离，并在信号调理后使其变为0～3 V的电压信号，发送给DSP的AD转换单元[9]。信号调理电路的核心为有源二阶带通滤波器，由有源二阶低通和高通滤波器组成。主功率的电压、电流信号经过霍尔采样，霍尔副边电压信号经二阶有源带通滤波器滤波放大后，将两相相电压信号经过LM224差分放大，得到三相整流自然换向点为零点的正弦波，频率与相电压频率一致[10]。经运算放大器TLE2022与零点比较，得到幅值±15 V且频率与相电压一致的方波信号，经二极管整流，并通过钳位电路将输出电平钳位，最终输入DSP的CAP方波信号小于3 V。

三相PWM整流器输入发电机转速范围为30 000～60 000 r/min，对应三相输出电压频率范围为0.5～1 kHz。经过设计有源二阶低通和高通滤波器，使二阶低通滤波器截止频率为1 kHz，二阶高通滤波器截止频率为500 Hz，确保了在需要采样的发电机转速范围内具有优良的选频特性。对构建的三相PWM整流信号调理电路仿真，结果如图4和图5所示。

图4 有源二阶带通滤波器幅频特性曲线

图5 三相PWM整流信号调理电路采样输出CAP信号

由图4可知，带通滤波电路的选频特性很好，当输出三相频率为0.5～1 kHz时，电路衰减幅度在-1～4 dB之间，而在500 Hz以下和1 kHz以上频率的电路衰减幅度都在30 dB以上，衰减速度很快，滤波性能好。如图5所示，三相PWM整流信号调理电路三路采样输出CAP方波信号干净无杂波，且幅值均为2.5 V，三相之间相位相差120°，跟发电机输出电压相匹配。

4 结 论

本文详细描述了二阶有源低通、高通滤波器的设计方法，推导出PWM整流采样调理电路的设计原理及设计计算过程，并通过Multism仿真进行了辅助验证。基于Multisim仿真设计的PWM整流信号调理电路已经应用于新研制的产品，调试结果与仿真结果一致，证实了仿真设计的正确性，为产品研制提供了可靠的理论依据。