引 言

        隨著(zhù)電力電子技術(shù)及器件的發(fā)展；特別是功率MOSFET、IGBT、MCT、IPM以及單片集成脈寬調制功率放大器等新型器件的出現；使電壓型SPWM逆變器得到廣泛的關(guān)注、開(kāi)發(fā)和應用。 
        傳統中頻電源一般包括兩個(gè)環(huán)節：即前級穩壓；后級中頻逆變；基本采用分立元器件。雖無(wú)傳統的旋轉部件；但體積仍然較大；效率較低；結構復雜；調試麻煩；不可靠因素較多；直接影響了電源及設備的可靠性。各種新型艦載電子設備對中頻電源的體積重量和性能指標提出了更為嚴格的要求；而傳統中頻電源已無(wú)法滿(mǎn)足；解決的途徑只能是尋求更為先進(jìn)的變頻技術(shù)。
        正弦脈寬調制SPWM(Sine Pulse Width Modulation) 技術(shù)利用功率器件的導通與關(guān)斷；把直流電壓變成幅度相等而寬度按正弦規律變化的電壓脈沖序列；并通過(guò)控制脈沖的寬度和和脈沖序列的周期以達到變壓變頻目的。采用SPWM技術(shù)的電源主要優(yōu)點(diǎn)有：效率高、體積小、噪聲小、失真度小、響應快。 

        工作原理
        早期SPWM中頻電源多采用分立器件構成；系統中的振蕩器、比較器、死區發(fā)生器、驅動(dòng)等需要十分謹慎的調節；且可靠性不高；現在這種方案已很少采用；后來(lái)出現了單片集成SPWM控制器；如HEF4752V等；將振蕩器、比較器、運放等集成于單片IC內部；大大簡(jiǎn)化了系統設計；系統可靠性也大為提高；隨著(zhù)高速單片機和低價(jià)位DSP控制器的出現；數字化中頻電源開(kāi)始廣泛使用；與此同時(shí)還出現了可編程數字化SPWM發(fā)生器，如SA838等；進(jìn)一步簡(jiǎn)化了系統設計；提高了系統可靠性。但是所有這些控制方案在構成一個(gè)完整的電源系統時(shí)都需要至少三路隔離電源；電源體積很難進(jìn)一步減小。
　　美國APEX公司結合電力電子技術(shù)和功率放大器技術(shù)設計生產(chǎn)了脈寬調制功率放大器；該系列放大器將振蕩器、PWM發(fā)生器、死區發(fā)生器、自舉驅動(dòng)器、IGBT和續流二級管、過(guò)流/過(guò)熱保護等功能部件全部集成一體；使其成為一個(gè)完整的PWM功率放大器；使用者只需按要求提供所需的模擬調制信號；經(jīng)放大器后將輸出基波為調制信號的高頻高壓SPWM信號序列；再經(jīng)高頻濾波后就可得到幅度和功率均放大的調制信號。若將放大器和濾波視為一個(gè)整體；其功能就等同于傳統線(xiàn)性功率放大器；但其效率卻高得多。
        PWM功率放大器代表型號SA08典型參數：
        功率輸入電壓16～500VDC；單相全橋輸出；最大輸出電流20A；最大傳遞功率10KW；內部振蕩及控制電路實(shí)現22. 5kHz的開(kāi)關(guān)頻率；模塊效率高達98%；具有內部過(guò)流和過(guò)熱保護；同時(shí)提供用戶(hù)外部限流設置和關(guān)斷功能；MO-127封裝；工作溫度范圍- 55～125℃。 
        SA08外觀(guān)和引腳分布圖見(jiàn)圖1；內部功能圖見(jiàn)圖2 。 

        由于將振蕩電路、控制電路、驅動(dòng)電路和功率器件全部集成于模塊內部；SA08的可靠性大為提高；且接口非常簡(jiǎn)潔。樣機電源以SA08為核心；由整流電路、輔助電源、中頻信號發(fā)生器、反饋控制電路和輸入輸出濾波電路等部分構成。原理圖見(jiàn)圖3。
        單相220V AC電壓一路經(jīng)整流橋整流濾波后作為SA08的功率電源；另一路經(jīng)AC/DC轉換、共模抑制后作為控制電路和SA08輔助電源；信號發(fā)生器產(chǎn)生頻率400Hz；幅度可調的正弦信號；信號發(fā)生器通過(guò)優(yōu)化電路設計和選用低溫漂元件實(shí)現輸出頻率的穩定；控制電路對輸入指令信號進(jìn)行偏置、放大、PID及濾波處理、輸出限幅等；最后作為SA08輸入信號控制其功率輸出。過(guò)壓保護和過(guò)流保護也通過(guò)控制電路實(shí)現；SA08輸出的高頻高壓SPWM波經(jīng)LC濾波器后供給負載；反饋電路直接從負載上進(jìn)行電壓電流取樣；確�？刂频木�度。 

        圖3　系統原理圖

        關(guān)鍵技術(shù)的解決
        窄脈沖含有豐富的頻譜；且其頻譜與其脈沖寬度大體上成反比關(guān)系：脈沖越窄；其頻譜越豐富。對于一個(gè)幅度達280V、頻率為22. 5KHz的SPWM脈沖序列；它對其周邊電路的干擾是非常嚴重的。同時(shí)；功率器件的高速開(kāi)關(guān)而產(chǎn)生的巨大電壓變化率du/dT和電流變化率di/dT將通過(guò)雜散電容和引線(xiàn)電感對供電電源和控制電路產(chǎn)生難以估計的影響。因此；如何實(shí)現系統內部強弱電之間的電磁兼容便成為關(guān)鍵技術(shù)。
        電磁兼容從實(shí)施途徑來(lái)講主要有接地、屏蔽和濾波三種方法。在理論分析的基礎上；通過(guò)大量實(shí)驗；找出了系統中的敏感回路、敏感元件和敏感點(diǎn)；并針對性的采取濾波、嚴格接地、合理布局與布線(xiàn)等措施。
        首先；在整體布局上按照強弱電分離的原則；將信號發(fā)生器、控制和保護回路等與功率電路分開(kāi)布局；其次；按照信號流和功率流進(jìn)行局部布局和布線(xiàn)；使其流暢無(wú)交疊；輸入輸出分離；同時(shí)；布線(xiàn)嚴格遵循環(huán)路最小原則；第三；將發(fā)熱器件貼近機殼布置；對溫漂有嚴格要求的元器件遠離發(fā)熱器件；第四；電源充分解耦。高頻SPWM波由于含有豐富的高頻諧波成份；所以功率電路和弱電電路需要嚴格的高頻解耦；第五；嚴格接地。功率地和弱電地分離布線(xiàn)；嚴格消除大的接地環(huán)路；同時(shí)保證功率地接地阻抗的連續性。

        試驗結果
        對一臺中頻電源樣機進(jìn)行系統的試驗；樣機達到了如下主要性能指標：
        考慮到以下的一些因素：注意AP擺放的物理位置、AP的控制和管理、用戶(hù)身份驗證和計費管理、簡(jiǎn)化網(wǎng)絡(luò )安全管理、不能讓非專(zhuān)業(yè)人員構建無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )。
( 1) 電網(wǎng)調整率：輸入187 ～ 242VAC , 輸出115V ±3 %
(2) 負載調整率：輸入220VAC ,負載0A～1A , 輸出115V ±3 %
(3) 輸出頻率400Hz ±0. 5 % ,波形失真度≤ 2 %
(4) 具有過(guò)流保護、過(guò)壓保護和過(guò)熱保護等功能
(5) 體積:160 ×97 ×45 (mm3)

       結論  
        采用新型功率器件和控制技術(shù)，實(shí)現了中頻電源小型化和高性能的技術(shù)要求。樣機體積縮小為同等電氣指標的傳統中頻電源的五分之一，元件數量減少為原來(lái)的二分之一。該新型中頻電源體積小、重量輕、噪聲小、響應快、失真度小、可靠性高,具有較強的實(shí)用價(jià)值。