摘要：本文提出了一种采用IPM大功率模块实现的高分辨率调压电源的设计方法。该方法采用粗、细调节的方式实现了高分辨率的电压调节。重点介绍了逆变方式下粗细调节部分相位一致问题。试验结果表明这种方法切实可行。
    关键词：高分辨率；相位；SPWM；SA4828；调压电源
      中图分类号：TM92   文献标识码：A

The Design and Implementation of single-phase Variable Voltage AC Power Supply with high resolution
Yang Peng, WangMiao
(Automation Dept., Taiyuan university of technology，Taiyuan 030024, China)
Abstract: This paper proposes a method of increasing the resolution of single-phase variable voltage AC  power supply with IPM power module. The high resolution of power supply consists of thick and thin regulation parts. The way of adjusting the outputs of thick and thin regulation parts is mainly introduced. The results of experiment show that this method works well.
Key words: high resolution; phase; SPWM; SA4828; variable voltage AC power supply        

 杨朋 王淼

    1.引言
    电源设备是一种量大面广、通用性很强的电子产品。在许多实际应用系统中，往往要求交流电源电压可连续调节。目前，交流调压系统主要有以下几种：
（1）电机类（感应调压器）
（2）变压器类（接触式调压器、磁性调压器、抽头式调压器）
（3）电力电子类（晶闸管、IGBT、IPM等）
    采用前两种方式的调压器简称为机械式调压器，采用第三种方式的调压器简称为静止式调压器。对于交流调压电源，输出电压波形是关键，一般要求波形失真度≤5％。上面所介绍的前两种调压器，一般体积较大，而且分辨率低，精度差。目前较为流行的是电力电子类的调压电源，这种电源体积小，重量轻，便于控制。对于电力电子类调压电源，主要有两种设计方式：
（1）斩波控制交流调压电源
（2）SPWM逆变式交流调压电源
在设备校验、测试领域，对供电电源的要求比较高，一般要求较高的分辨率、小的波形失真度。传统的机械式调压电源的分辨率只能达到约1/250。采用变压器类调压器粗、细调的方法可以提高调压分辨率，但这种方法由于机械碳刷的摩擦，容易造成机械故障，而且采用这种方法制作的电源，体积普遍较大。因此，在实践中急需一种体积小、分辨率高、波形失真小、“静止式”的调压电源。

    2.电压粗、细调节的原理
    采用粗、细调节来实现提高分辨率的方法如图1所示。粗调部分由可调变压器T1实现，细调部分由可调变压器T2和变比为n:1的变压器T3构成，Ui为输入电压，U0为输出电压。
输出电压

    式中，m1，m2分别为调压器T1、T2的调节比，m1≤1，m2≤1。
假设，△U为T1、T2调压器的最小可调节电压，令m2·Ui=△U,m1=0，则输出最小可调节电压为

    可见调节电压的分辨率比调压器T1（T2）提高了n倍。由于T3的作用，调压器T2及变压器T3的容量比T1小n倍。
为了能达到粗、细调节的连续性，则需满足条件

    本文正是基于上述思想来提高调压的分辨率的。但要实现“静止式”调压，其主电路要采用电力电子类调压的方法。然而，对于电力电子类调压，由于一般采用交－直－交的方式（本系统采用SPWM逆变式），采用粗、细调节的方法，其粗、细调节部分（电子调压器T1，T2）输出正弦交流电压的相位是随机的，因此解决其电压相位一致的问题（同相或互差180°）是实现上述粗、细调节原理的关键。
    在电力电子类交－直－交调压系统中，一般采用电机变频调速或电源用三相分别可调的SPWM芯片或单片机来产生SPWM信号。这类芯片具有输出对称三相正弦波的功能，而且三相的幅值都可通过编程调节。其输出的三相正弦波相位满足图2(a)所示的关系，UA、UB和UC相位互差120°, UB和UC合成后的电压为UN，与UA相位互差180°，如图2（b）所示。若UB和UC幅值相同，将UB和UC串联合成后，形成的电压UN与电压UA反相。因此可将UA做为电压的粗调部分(T1)，而将UN做为电压的细调部分(T2和T3)。这样，在软件上我们将UB和UC的幅值设为相同的值，而在硬件上我们将UB和UC分别接一个变比为n:1的变压器后再串联构成T2和T3，再与UA串联。通过软件调节UA、UB和UC的幅值即可实现连续、高分辨的电压调节。这部分电路如图3所示。

   3.硬件电路实现
传统的电力电子类调压电源，其控制电路大致有以下几种：
(1)采用单片机＋SPWM波形发生器集成电路（如SA4828,等）
(2)采用可编程的SPWM单片机（如Intel的80C196MC芯片）
(3)采用DSP的方法
   而其逆变电路大多采用单相桥式SPWM逆变方式，然后经LC滤波后产生正弦波，稳压部分通过PID来调节。由于采用后两种方法软件编程比较复杂，本文所介绍的方案，采用第一种方法，控制电路采用Atmel公司的89C51单片机和MITEL公司的三相SPWM数字集成芯片SA4828产生SPWM信号。采用这种方式，电路结构较简单，编程很方便（由于SA4828本身的特点，只需书写少量的代码即可产生所需输出的SPWM信号）。逆变电路采用三菱公司生产的大功率IPM模块（实验中选用了PM75RSE060模块）。调压串联电路采用图3所示的电路。其硬件电路框图如图4所示。
SA4828芯片主要有以下特点：
（1）能通过软件分别设定三相输出波形的幅值。
（2）增加了“看门狗”电路，进行监控，程序运行安全可靠。SA4828还采用了谐波抑制技术，降低了开关管的损耗。
由于SA4828可设置电压的最高分辨率为1/255，若采用传统的电力电子类调压电路，其输出电压最高分辨率最高只能达到1/255，而采用本文所介绍方案后，调压的分辨率可达到

输入为Ui时△U＝Ui/255，由式（3）知

既n≤255。

4. 实例应用
根据上述原理，试验研制了一台5KVA、50HZ的交流电源，试验得到输出电压UO的波形如图5所示（所用示波器的型号为：Tektronix TDS1012）
经测试，波形失真度<1％(采用ZQ4120型同步失真仪)，满足设计要求。

5. 结束语
根据本文所提的方案制造的交流调压电源，在提高调压分辨率的同时，也简化了控制，降低了成本，减小了电源的体积，实现了“静止式”调压。

参考文献：
1. 李玉玲等. 基于SPWM的变压变频电源设计.哈尔滨理工大学学报. 2005,10(1):63-65
2. 刘茂荣. 基于SA4828的三相组合式逆变器设计. 电源技术应用.2001,6(6):257-260
3. 谈必礼. 交流调压和稳压电源的发展动向. 变压器.2004,41(5):29-31
4. 王小明. 三相SPWM控制器SA4828及应用. 辽宁工学院学报. 2001,21(4):12-15
5. 王兆安，黄俊.  电力电子技术. 机械工业出版社,2000

作者简介：杨朋(1983)，男，河南漯河人，在读硕士研究生，研究方向为控制理论及应用