摘要:分析了三相四橋臂開關(guān)功率放大器的原理及其在繼電保護(hù)測試中的應(yīng)用。該拓?fù)淅玫谒臉虮蹃碚{(diào)節(jié)中線電流,實現(xiàn)了三相之間的獨立。實驗結(jié)果表明該電路結(jié)構(gòu)簡單、容易實現(xiàn)調(diào)頻、調(diào)幅、調(diào)相功能。 關(guān)鍵詞:開關(guān)功率放大器;可編程;三相四橋臂逆變器? A Flexible and Programmable Three Phase Switching Power Amplifier SONG Dong- liang, LU? Zheng- yu, WANG You- sheng? Abstract:The principle of three-phase four-leg switching power amplifier and its application in relay protection test are introduced. This topology realizes the decoupling of each phase by the fourth leg to handle the neutral current. Experiment results show the structure of the circuit is simple,the amplitude, frequency and phase of each output can be regulated easily.? Keywords:Switching power amplifier; Programmable; Three-phase four-leg inverter?
1? 引言 ??? 電力電子技術(shù)的發(fā)展,尤其是逆變技術(shù)和高速全控型的功率開關(guān)器件(IGBT、MOSFET)的發(fā)展,使得采用電力電子技術(shù)構(gòu)成的開關(guān)功率放大器在儀器儀表校驗、電量變送器校驗、繼電保護(hù)測試中的應(yīng)用成為可能。開關(guān)功率放大器具有高效、可靠、功率大、易數(shù)字控制、任意波形發(fā)生等功能。三相四橋臂開關(guān)功率放大器由于引入了第四橋臂,從而形成三個獨立的全橋電路,因而能夠?qū)崿F(xiàn)三相輸出的獨立調(diào)整。本文提出的第四橋臂采用固定開關(guān)頻率、固定占空比的控制方法,簡化了控制電路,同時也提高了系統(tǒng)的可靠性。 ??? 微機(jī)型繼電保護(hù)測試裝置由于體積小、重量輕、測試方便可靠、便攜等優(yōu)勢逐漸取代了模擬式的繼電保護(hù)裝置。其主體由數(shù)字波形發(fā)生器、功率放大器、反饋檢測電路、通訊端口等組成。精密三相測試電源則是繼電保護(hù)裝置的主體,功率放大電路傳統(tǒng)上采用線性功率放大電路,但其效率低、體積大而笨重。繼電保護(hù)測試裝置中主要有三相電流源和三相電壓源,它們均要求能夠獨立地調(diào)整輸出電壓和電流的幅值、相位、頻率,對電流源還要求三相能夠合并輸出大電流。采用三相四橋臂的開關(guān)功率放大器能夠方便地實現(xiàn)三相電源的各種功能,如諧波疊加、移相、各類故障模擬等。 2? 開關(guān)功率放大器的原理 ??? 三相電壓、電流源由三相四橋臂的逆變器構(gòu)成,其主電路結(jié)構(gòu)如圖1所示。通常對三相不對稱負(fù)載中線流過的電流采用電容器串聯(lián)構(gòu)成中點,這樣做只能解決比較輕的不對稱負(fù)載,對于嚴(yán)重不對稱的負(fù)載(如三相同相),則由于電容器的容量需要選得非常大而不切實際。三相四橋臂逆變器通過引入第四橋臂來實現(xiàn)對中線電流的調(diào)節(jié),使得電路變成了三個完全獨立 的 單 相 逆 變 器 。 因 此 , 第 四 橋 臂 的 控 制 成 為 關(guān) 鍵 , 通 常 對 第 四 橋 臂 的 控 制 方 法 都 比 較 復(fù) 雜[1-3], 本 文 對 第 四 橋 臂 的 控 制 采 用 固 定 占 空 比 的 控 制 方 法 。 以 其 中 一 相 為 例 來 說 明 開 關(guān) 功 率 放 大 器 的 工 作 原 理 。
圖1? 三 相 四 橋 臂 逆 變 器 主 電 路 拓 撲 ??? 當(dāng)逆變電路一橋臂以SPWM(正弦波脈寬調(diào)制)方式工作,而另一橋臂以固定的50%占空比工作時,與一般的單相雙極型和單極型逆變器相比,這種方式工作下的逆變器在一個開關(guān)周期內(nèi)有三個電平輸出狀態(tài),而不是兩個(參見圖2)。假設(shè)開關(guān)頻率遠(yuǎn)大于調(diào)制波的頻率,則可認(rèn)為在一個開關(guān)周期內(nèi)輸出電壓的幅值基本不變。這樣在一個開關(guān)周期內(nèi),電路經(jīng)歷了四個工作狀態(tài)。電路工作狀態(tài)分析如下:
(a)? 雙 極 型SPWM輸 出 波 形
(b)? 單 極 型SPWM輸 出 波 形
(c)? 三 相 四 橋 臂 一 相 輸 出 波 形 圖2? 幾 種 逆 變 電 路 輸 出 電 壓 比 較 ??? 狀態(tài)1[t0~t1]??? S3、S2開通,電感上的電流增加,此時由電源向負(fù)載提供能量。此時電路滿足Edc-Vo=LdiL/dt。 ??? 狀態(tài)2[t1~t2]??? S2關(guān)斷,D1導(dǎo)通,此時負(fù)載電流通過S3、D1進(jìn)行續(xù)流。此時滿足-Vo=LdiL/dt ??? 狀態(tài)3[t2~t3]??? S3關(guān)斷,S4開通,由于負(fù)載電流方向沒有變,所以S4的反并二極管D4導(dǎo)通,負(fù)載向電源側(cè)回饋能量。此時有Vo-Edc=LdiL/dt。 ??? 狀態(tài)4[t3~t0]??? S1關(guān)斷,S2導(dǎo)通負(fù)載繼續(xù)處于續(xù)流狀態(tài),等待下一個開關(guān)周期。此時電路滿足-Vo=LdiL/dt。 ??? 圖3示出了輸出負(fù)載電流在遠(yuǎn)大于零和過零附近情況下的電感電流波形。電感上的電流紋波最大發(fā)生在電流過零處,為 ??????? ΔI=Edc/4fL?? (1)
(a) 輸 出 電 流 大 于 零
(b) 輸 出 電 流 在 過 零 附 近 圖3 電 路 的 工 作 波 形 ??? 根據(jù)對輸出電壓的頻譜分析可知,其諧波主要分布在開關(guān)頻率邊頻帶和開關(guān)頻率諧波邊頻帶上,而開關(guān)頻率通常都很高,因此很容易被濾波器濾除而只剩下調(diào)制波。如果調(diào)制波是正弦波,其濾波后的輸出電壓可以表示為: ?????? Vo=mEdcsinωt? (2) 式中:Edc為直流母線電壓; ????? m為正弦調(diào)制波和三角載波的比值。 ??? 如果調(diào)制波不是正弦波,則輸出電壓可以表示為: ???? Vo=Vref(t)???? (3) 式中:Vc為三角載波的幅值; ??? 由此可以看出當(dāng)給定信號所包含的頻率比較低 (遠(yuǎn)低于開關(guān)頻率)時,逆變電路對給定調(diào)制波是起放大作用的。如果在電路中需要進(jìn)行直流偏置,只需要在調(diào)制波Vref中增加直流分量即可。 3? 三相電壓源的實現(xiàn) ??? 在三相四橋臂開關(guān)放大器拓?fù)涞幕A(chǔ)上實現(xiàn)三相電壓源,圖4是三相電壓源的結(jié)構(gòu)框圖。它主要包括主電路、輔助電源、單片機(jī)波形發(fā)生、保護(hù)電路等。電網(wǎng)電壓經(jīng)過整流、濾波后再經(jīng)半橋DC/DC變換器后,產(chǎn)生高質(zhì)量的直流母線電壓。輸出直流電壓的大小是受控于單片機(jī)的,由單片機(jī)根據(jù)逆變輸出的大小而提供相應(yīng)的直流母線參考電壓。根據(jù)式(1)可知,降低直流母線電壓就可以保證在小電壓輸出時有著較低的開關(guān)紋波。逆變級控制上采用電壓外環(huán)、電流內(nèi)環(huán)的雙環(huán)PI調(diào)節(jié)的SPWM控制方案。三相輸出的參考信號通過文獻(xiàn)[4]的方法由單片機(jī)給出高精密的三相參考基準(zhǔn)信號,三相采用獨立的控制電路,因而實現(xiàn)了三相電壓源的頻率、幅值、相位的獨立調(diào)整。第四橋臂上下橋臂之間的占空比要嚴(yán)格一致,這樣保證中線的輸出電壓是50%嚴(yán)格對稱的。
圖4? 三相電壓源的結(jié)構(gòu)框圖
(a)??
(b) 圖5? 實 驗 波 形 圖 4? 實驗結(jié)果 ??? 三相電壓源的技術(shù)指標(biāo)如下: ??? 交流輸入??? AC220(1±20%)V; ??? 直流母線電壓??? 40-400V; ??? 輸出電壓??? 2-100V(有效值)/相; ??? 輸出頻率??? 0-1000Hz; ??? 輸出功率??? 50VA/相。 ??? 圖5(a)是A,B兩相輸出不同相位(相差60°)而C相輸出不同頻率(200Hz)的波形,圖5(b)是其中一相輸出三角波和疊加三次諧波的波形。輸出純正弦電壓波形THD在TektronixTDS210示波器上分析,50Hz時為0.750%,400Hz為1.382%。從實驗結(jié)果可以看出三相之間的幅值、相位、頻率可以方便地獨立調(diào)節(jié),而不會產(chǎn)生相互之間的影響。該電路結(jié)構(gòu)簡單、輸出穩(wěn)定可靠,并且具有良好的性能,能夠滿足在繼電保護(hù)測試中的應(yīng)用。 5? 結(jié)語 ??? 本文分析了一種三相四橋臂開關(guān)功率放大器的原理,并在此基礎(chǔ)上實現(xiàn)了用于繼電保護(hù)測試需求的三相電壓源。第四橋臂采用簡單的固定占空比控制,三相采用電壓電流雙環(huán)PI調(diào)節(jié)。調(diào)節(jié)給定信號的幅值、頻率、相位從而實現(xiàn)對三相電源的輸出進(jìn)行靈活控制。把波形的點數(shù)存儲在RAM中則可以達(dá)到對輸出波形的可編程。該電路能夠?qū)崿F(xiàn)三相之間的完全獨立,所以在此基礎(chǔ)容易實現(xiàn)多相逆變電源。 參考文獻(xiàn) [1]? 阮新波,嚴(yán)仰光.四橋臂三相逆變器的控制策略[J].電工技術(shù)學(xué)報,2000,(2). [2] V.Himamshu Prasad.Analysis and Comparison of Space Vector Modulation Schemes for a Four-Leg Inverter[C].Conference Record of IEEE APEC 1997. [3] Richard Zhang.A Three-Phase Inverter with a Neutral Leg with Space Vector Modulation[C].APEC′ 1997 Conference Proceedings. [4] LU? Zhengyu.A Novel Scheme of Singal Generating for High-resolution AC Power Supplies[C].PEDS′ 2001 Conference Proceeding. |
一種靈活的可編程三相開關(guān)功率放大器
- 放大器(209528)
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2011-11-18 09:42:25
微波低噪聲放大器和功率放大器
對射頻/微波通信應(yīng)以而言,放大器主要完成兩大任務(wù),一是增強接收機(jī)的低電平信號,一是提升發(fā)射機(jī)的高電平輸出信號。雖然它們的功能、尺寸和功率要求不盡相同,但這兩種放大器都受益于晶體管技術(shù)的持續(xù)改進(jìn)
2019-06-19 08:25:12
怎么實現(xiàn)基于射頻功率放大器的GSM/DCS雙頻段RF射頻前端設(shè)計?
本文提出一種新穎的射頻功率放大器電路結(jié)構(gòu),使用一個射頻功率放大器實現(xiàn)GSM/DCS雙頻段功率放大功能。同時將此結(jié)構(gòu)射頻功率放大器及輸出匹配網(wǎng)絡(luò)與CMOS控制器、射頻開關(guān)集成至一個芯片模塊,組成GSM/DCS雙頻段射頻前端模塊,其中射頻開關(guān)采用高隔離開關(guān)設(shè)計,使得諧波滿足通信系統(tǒng)要求。
2021-05-28 06:28:14
怎么設(shè)計制作一種基于GaAs工藝的可變增益功率放大器單片微波集成電路?
根據(jù)電壓控制增益電路理論及放大器設(shè)計原理,設(shè)計制作了一種基于GaAs工藝的可變增益功率放大器單片微波集成電路( MMIC)。采用電路仿真ADS軟件進(jìn)行了原理圖及版圖仿真,研究了增益控制電路在放大器中的位置對性能的影響。
2021-04-06 08:32:23
怎樣去設(shè)計一種功率放大器特征化測試系統(tǒng)?
為什么要設(shè)計一種功率放大器特征化測試系統(tǒng)?怎樣去設(shè)計一種功率放大器特征化測試系統(tǒng)?
2021-05-07 06:05:43
波形功率放大器的原理與應(yīng)用
包括電壓放大器、電流放大器和電壓/電流放大器;此外,還有一種將波形發(fā)生器、波形功率放大器與直流電源相結(jié)合的獨立分支特色產(chǎn)品,稱為雙極型電源。波形功率放大器的典型應(yīng)用包括:- 壓電轉(zhuǎn)換器(高電壓和高電流
2017-06-21 10:11:40
盤點常用的幾類功率放大器芯片
功率放大器原理 利用三極管的電流控制作用或場效應(yīng)管的電壓控制作用將電源的功率轉(zhuǎn)換為按照輸入信號變化的電流。因為聲音是不同振幅和不同頻率的波,即交流信號電流,三極管的集電極電流永遠(yuǎn)是基極電流的β倍
2019-04-12 08:30:00
短波寬帶功率放大器
我在網(wǎng)上百度到一種短波寬帶功率放大器,頻率是1.6-29.999我非常想看看這個資料的全部但是網(wǎng)上只有末級功率放大器的原理圖,問大家誰有
2020-02-07 09:22:41
短波寬帶功率放大器原理圖
我在網(wǎng)上百度到一種短波寬帶功率放大器,頻率是1.6-29.999我非常想看看這個資料的全部但是網(wǎng)上只有末級功率放大器的原理圖,問大家誰有
2020-02-07 09:23:54
線性功率放大器設(shè)計和乙類和丙類功率放大器設(shè)計
功率放大器設(shè)計中,可以用大信號S參數(shù)來設(shè)計乙類和丙類功率放大器,也可以用功率負(fù)載特性來設(shè)計乙類和丙類功率放大器,后一種方法用得更普遍。圖7-29是工作頻率為1.2~1.4GHz的丙類共基極脈沖功率放大器的電路
2008-08-17 13:35:23
行波管功率放大器的全面介紹
衛(wèi)星地球站高功率放大器分為三大類:速調(diào)管高功率放大器(KHPA)、行波管高功率放大器(TWTA)和固態(tài)高功率放大器(SSPA),這三種功放各有特點,使用要求也不相同。行波管高功率放大器和固態(tài)高
2019-07-09 08:29:58
請問怎么設(shè)計一款數(shù)字音頻功率放大器?
怎么設(shè)計一款數(shù)字音頻功率放大器?數(shù)字音頻功率放大器電路是如何構(gòu)成的?數(shù)字功放處理芯片的工作原理是什么? 主要技術(shù)指標(biāo)有哪些?
2021-04-12 07:06:49
請問這種新穎的射頻功率放大器電路是什么結(jié)構(gòu)的?
誰知道這一種新穎的射頻功率放大器電路是什么結(jié)構(gòu)的?使用一個射頻功率放大器實現(xiàn)GSM/DCS雙頻段功率放大功能,銳迪科的RDA6218就是采用這種結(jié)構(gòu)。射頻功率放大器管芯由原來的兩個減少為一個,同時此
2019-07-30 07:50:06
選擇高壓功率放大器考慮因素,功率放大器
`高壓功率放大器的考慮因素以及容性負(fù)載對輸出的影響電壓放大器是配合信號源(信號發(fā)生器)的理想工具,通過簡單的設(shè)備連接,可以拓展信號源的輸入電壓幅度范圍。典型的信號源輸入范圍都是10Vpp,而在
2017-09-29 16:46:29
采用TDA7350設(shè)計的音頻功率放大器電路
功率放大器具有許多功能,例如:高輸出功率,無噪聲開/關(guān)開關(guān),可編程導(dǎo)通延遲,AC-DC短路保護(hù),高額定溫度保護(hù)等。對于這個功率放大器,我們需要使用4歐姆或2歐姆揚聲器。
如果我們使用立體聲配置,則
2023-08-04 17:43:05
使用可編程硬件技術(shù)提高功率放大器效率
使用可編程硬件技術(shù)實現(xiàn)完整的發(fā)送鏈,以提高功率放大器效率,完成接收鏈,包括數(shù)字下變頻和接口,以連接模擬前端和無線電設(shè)備......
2018-11-27 06:52:003296
功率放大器科普:什么是甲乙(AB)型功率放大器
功率放大器(簡稱:功放)(Power Amplifier)“功率放大器”,顧名思義,是將“功率”放大的放大器,功率放大器在科學(xué)實驗領(lǐng)域等都有廣泛使用。但你知道功率放大器都有哪些類型嗎?什么是甲乙
2021-12-13 17:55:435964
D類功率放大器
本文介紹如何使用高電壓 GreenPAK? IC 設(shè)計簡單的 D 類功率放大器。D 類放大器的工作原理是從連續(xù)控制信號中導(dǎo)出兩態(tài)信號并使用電源開關(guān)將其放大。每個D 類放大器的核心是至少一個比較器和一個開關(guān)功率級。除了成本最低的功率放大器外,其他所有放大器都添加了無源 LC 濾波器。
2022-08-03 09:23:253016
一文解讀功率放大器(功率放大器如何選型)
功率放大器是生活中很常見的電子設(shè)備之一,但是你真的了解什么是功率放大器嗎?安泰電子將從功率放大器的定義、特點以及功率放大器的用途等多方面來介紹,讓大家對功率放大器有更清晰的認(rèn)識。
2022-11-15 11:16:221937
功率放大器怎么選擇型號的(功率放大器選購技巧)
很多電子工程師雖然頻繁使用功率放大器,但是對于功率放大器的選擇和選購技巧還是不清楚,下面就來為大家介紹一下如何挑選合適的功率放大器型號。
2023-01-10 17:47:0910082
功率放大器ADS仿真實例
一、理論基礎(chǔ) 根據(jù)工作狀態(tài)的不同,功率放大器可分為線性功率放大器和開關(guān)型功率放大器,線性功率放大器包含:A、B、C、AB類放大器,開關(guān)型功率放大器包含:D、E、F類放大器。為獲得較好的線性度和高增益
2023-02-16 14:36:317
功率放大器的選型 功率放大器的注意事項
功率放大器屬于電子設(shè)備的一種,主要用于放大電信號的幅度或功率。功率放大器的主要功能是將輸入信號放大到足以驅(qū)動負(fù)載的水平。與前級放大器相比,功率放大器具有更高的放大能力和更大的輸出功率。功率放大器通常用于音響系統(tǒng)、無線電通信、雷達(dá)系統(tǒng)、激光驅(qū)動器等領(lǐng)域。
2023-02-24 11:14:23579
功率放大器有哪些類型,功率放大器選型原則
功率放大器是一種能夠?qū)⒌碗娖叫盘?b class="flag-6" style="color: red">放大到足夠高的電平以驅(qū)動負(fù)載的電子器件。在各種電子設(shè)備中,功率放大器被廣泛應(yīng)用,如音響系統(tǒng)、電視廣播、汽車音響、射頻通信等。本文將介紹功率放大器的分類以及選擇功率放大器選型原則和方法。
2023-07-25 09:24:131013
功率放大器可以放大電壓嗎為什么
功率放大器是一種電子設(shè)備,用于將輸入信號的功率放大到更高的水平。而電壓是功率的一個組成部分,所以功率放大器可以放大電壓。 在功率放大器中,輸入信號經(jīng)過放大器的放大階段后,會得到一個更強的輸出信號
2023-10-07 17:10:04478
功率放大器要解決什么問題呢
功率放大器是電子設(shè)備中的一種重要器件,其作用主要是將輸入信號的功率放大到更高的水平。在各行各業(yè),功率放大器都有著重要的應(yīng)用。下面來介紹一下功率放大器要解決的主要問題。 功率放大器解決了信號的放大
2023-12-04 11:59:04264
功率放大器主要放大的是什么
功率放大器是一種電路,用于將輸入信號的功率放大到更大的值。它主要用于驅(qū)動負(fù)載或擴(kuò)大信號的幅度。在這篇文章中,將探討功率放大器的原理、類型、應(yīng)用領(lǐng)域以及一些常見的設(shè)計考慮因素。 功率放大器的基本原理
2024-01-16 11:03:13245
功率放大器的工作原理 功率放大器的基本要求
強力放大器是一種電路,可以將輸入信號放大到輸出信號的高功率級別,使其能夠驅(qū)動高負(fù)載(如揚聲器、馬達(dá)等)。它在各種應(yīng)用中都被廣泛使用,包括音頻放大器、射頻放大器、通信設(shè)備、工業(yè)設(shè)備等。 功率放大器
2024-02-04 09:37:00262
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