中頻電源是廣泛應(yīng)用于國(guó)防和工業(yè)領(lǐng)域的一種電能轉(zhuǎn)換設(shè)備， 它主要是將50Hz交流市電轉(zhuǎn)換成頻率為400～1000Hz和特殊電壓的供電電源， 以供給同步電機(jī)、陀螺等特種設(shè)備使用。

　　中頻電源按其功率變換形式可分為旋轉(zhuǎn)電機(jī)、線(xiàn)性放大和PWM調(diào)制三種。在早期的中頻電源中， 旋轉(zhuǎn)電機(jī)是為常用的一種， 但由于其體積大、噪音大、設(shè)備笨重、輸出波形差等原因已經(jīng)被逐漸淘汰， 在新的電源設(shè)備中很難看到它的蹤影； 采用大電流高電壓運(yùn)算放大器也是中頻逆變電源的一種功率變換形式， 該形式的優(yōu)點(diǎn)是波形好， 電磁兼容性好， 但這種方法效率低， 只適合于功率較小的情況； 另外就是采用PWM調(diào)制形式的中頻電源， 這是現(xiàn)在常用的一種中頻電源， 這種方式可使逆變電源技術(shù)與現(xiàn)代數(shù)字控制技術(shù)有效結(jié)合， 并可通過(guò)DDS頻率合成技術(shù)或DSP控制使電源實(shí)現(xiàn)全數(shù)字化， 它一般采用IGBT或MOSFET作為功率器件， 因而具有功率大、效率高等優(yōu)點(diǎn)， 但PWM調(diào)制電路和IGBT驅(qū)動(dòng)電路比較復(fù)雜， 且IGBT的開(kāi)關(guān)頻率有限， 當(dāng)輸出信號(hào)頻率達(dá)到1kHz以上時(shí)， 對(duì)于開(kāi)關(guān)頻率只有20kHz左右的IGBT， 其輸出波形的失真度比較大。

　　PWM放大器是一種高效率的功率放大器件，幾年來(lái)已被大量應(yīng)用(例如美國(guó)M.S.Kennedy公司的MSK4225) 。這種放大器將PWM 調(diào)制電路、MOSFET驅(qū)動(dòng)電路和“H” 橋功率逆變電路集成在一個(gè)封裝內(nèi)， 同時(shí)還集成有一定的保護(hù)功能。

　　PWM調(diào)制放大器通常用于音頻功率放大、直流電機(jī)調(diào)速等場(chǎng)合。這種功率放大器具有集成度高、效率高、可靠性高、外圍電路簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)。由于MOSFET工作頻率高， 所以可以較好地還原輸入波形。這樣， 如將正弦信號(hào)輸入PWM放大器， 就可以得到一種高效率、高的正弦波逆變電源。本文討論的就是基于MSK4225設(shè)計(jì)的一種中頻逆變電源。

　　1 PWM放大器的基本原理

　　PWM放大器即脈寬調(diào)制放大器， 這是根據(jù)PWM脈寬調(diào)制原理發(fā)展起來(lái)的一種高效放大器，現(xiàn)在已經(jīng)廣泛應(yīng)用于直流電機(jī)調(diào)速， 大功率音頻放大等。PWM脈寬調(diào)制原理是由能量等效原理發(fā)展起來(lái)的一種調(diào)制法， 假如調(diào)制波形為正弦波，為了得到近似的正弦波的脈寬調(diào)制波形， 通?？蓪⒄也ǖ囊粋€(gè)周期在時(shí)間上劃分成N等份(N是偶數(shù))， 每一等份的脈寬為2π/N。而在每個(gè)特定的時(shí)間間隔中， 則可以用一個(gè)脈沖幅度都等于UΔm的矩形電壓脈沖來(lái)分別代替相應(yīng)的正弦波部分， 其脈寬與其對(duì)應(yīng)的正弦波所包含的面積相等或成比例。這樣的N個(gè)寬度不等的脈沖就組成了一個(gè)與正弦波等效的脈寬調(diào)制波形。假設(shè)正弦波的幅值為U!m， 等效矩形波的幅值為UΔm， 則各等效矩形脈沖波的寬度δi為：

　　式中，；βi是各時(shí)間間隔分段的中心角， 也就是各等效脈沖的位置中心角。該公式表明： 由能量等效法得出的等效脈沖寬度δi與分段中心角βi的正弦值成正比。

　　圖1所示是一個(gè)PWM調(diào)制電路及其波形圖。在實(shí)際的逆變器中， 常用比較器組成的脈寬調(diào)制電路來(lái)產(chǎn)生上述脈寬調(diào)制波。若將三角波脈沖送到比較器的反相端(－)， 三角波頻率就是載波頻率， 而將調(diào)制波送到比較器的同相端(＋)， 則在比較器輸出端將得到一串矩形方波脈沖序列。

圖1 PWM調(diào)制電路及波形圖

　　2 PWM放大器MSK4225

　　MSK4225內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖2所示。該放大器主要由3個(gè)部分組成， 分別是45kHz PWM調(diào)制電路、“H” 驅(qū)動(dòng)電路和“H” 橋功率變換電路。而PWM調(diào)制電路則由三角波電路、比較電路、死區(qū)保護(hù)電路等組成； 驅(qū)動(dòng)電路由隔離電路、電平轉(zhuǎn)換電路、驅(qū)動(dòng)電路組成。這些電路如果使用小規(guī)模集成電路設(shè)計(jì)， 使用器件比較多， 而且調(diào)試復(fù)雜，產(chǎn)品一致性控制困難。而MSK4225將這些電路集成在一個(gè)封裝內(nèi)， 并采用冷底板設(shè)計(jì)， 使系統(tǒng)的功能設(shè)計(jì)、散熱設(shè)計(jì)和機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)相對(duì)比較簡(jiǎn)單， 而且由于免去了高頻信號(hào)線(xiàn)的布線(xiàn)， 因而也減少了系統(tǒng)的高頻干擾， 提高了系統(tǒng)的工作可靠性和電源品質(zhì)。

圖2 MSK4225的內(nèi)部結(jié)構(gòu)

　　MSK4225的控制部分采用+12V單電源供電，并設(shè)計(jì)有一個(gè)高電平使能端“HEN” 和一個(gè)低電平使能端“DIS”， 而且使能端控制與TTL電平兼容。信號(hào)輸入“INPUT” 設(shè)計(jì)為6V±2V， 即6V為信號(hào)“零”， 這時(shí)， 輸出OUTA和OUTB之間的輸出信號(hào)經(jīng)過(guò)濾波后， 其電壓為0V； 而信號(hào)輸入在4V和8V時(shí)， 其輸出為值。

　　由于MSK4225的功率變換采用“H” 橋變換，并在器件散熱底板上集成了4個(gè)大功率MOSFET管， 故使功率器件具有良好的散熱性能。

　　MSK4225 的工作電壓為75V， 工作電流為20A， 其“RSENSEA” 和“RSENSEB” 端通過(guò)采樣電阻接地， 因而可以對(duì)放大器的功率部分提供電流保護(hù)。

　　3 中頻電源的總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

　　以MSK4225為的逆變電源設(shè)計(jì)中， 可采用DDS芯片AD7008作為正弦信號(hào)源， AVR單片機(jī)Atmega64作為控制芯片， 并附加少量外圍控制保護(hù)電路。

　　該中頻電源主要由控制電路、正弦信號(hào)電路、功率逆變電路和DC-DC直流變換電路等組成。其電源結(jié)構(gòu)框圖如圖3所示。

圖3 電源結(jié)構(gòu)框圖

　　圖3所示電路中的AVR單片機(jī)ATmega64是電源的控制中樞， 主要功能是通過(guò)傳感器測(cè)量電源輸出的電壓、電流和頻率， 完成面板各種測(cè)量值的顯示， 面板設(shè)置按鍵的處理， 通過(guò)D/A芯片設(shè)定電源的輸出電壓， 控制AD7008輸出正弦信號(hào)的頻率和完成電源保護(hù)和輸出控制等。

　　正弦信號(hào)電路以DDS芯片AD7008為， 并采用直接數(shù)字頻率合成技術(shù)的數(shù)控信號(hào)源。它的主要優(yōu)點(diǎn)是頻率高， 波形失真小， 故可很好地解決原來(lái)模擬LC振蕩器頻率不穩(wěn)的問(wèn)題， 可在較大的頻率范圍內(nèi)輸出高正弦波。AD7008產(chǎn)生的正弦信號(hào)經(jīng)過(guò)變換濾波后， 可形成以6V為中心幅， 峰峰值約為3V的正弦信號(hào)。經(jīng)過(guò)功率變換電路MSK4225將其放大為PWM波信號(hào)， 再經(jīng)LC濾波， 就可得到有效值在20V左右的正弦信號(hào)。本設(shè)計(jì)的功率逆變電路直流高壓供電采用大功率DC-DC直流變換電路， 其輸出電壓采用PI調(diào)節(jié)控制， 實(shí)際設(shè)計(jì)中， 還可以引入多個(gè)控制參數(shù)來(lái)對(duì)電源輸出進(jìn)行綜合控制。

　　4 MSK4225的外圍電路設(shè)計(jì)

　　由于MSK4225的功率器件為MOSFET管， 故其對(duì)于電壓波動(dòng)極其敏感。而在實(shí)際使用中， 由于中頻電源負(fù)載經(jīng)常是感性負(fù)載， 所以， 保護(hù)電路的設(shè)計(jì)非常重要， 圖4所示是其外圍電路。

圖4 MSK4225的外圍電路

　　4.1 電源濾波

　　為濾除干擾和提高電源的工作可靠性， 實(shí)際電路中設(shè)計(jì)了必要的濾波電容。如圖4中的電源濾波電容C1、C2為2個(gè)2.2μF/100V的陶瓷表貼電容并聯(lián)， 可用于濾除線(xiàn)路高頻干擾， 其位置需靠近MSK4225/V+管腳； C3為470μF/100V電解電容，主要濾除低頻干擾， 電容的位置也要靠近器件管腳； Vcc電源濾波電容C4為1μF/25V陶瓷表貼電容； C5為22μ/25V的電解電容。

　　4.2 保護(hù)電路

　　電路中的D1～D4為MUR460快速恢復(fù)二極管，主要用于輸出保護(hù)， 防止負(fù)載上產(chǎn)生的尖峰電壓損壞輸出功率管； D5是穩(wěn)壓值為68V的瞬態(tài)抑制二極管P6KE68A， 用于吸收電源超過(guò)68V以上的浪涌電壓， 以進(jìn)行電源過(guò)壓保護(hù)； D6是穩(wěn)壓值為9.1V的齊納二極管1N4740， 用于提供輸入的管腳反壓以及過(guò)壓保護(hù)， 特別是在閉環(huán)狀態(tài)下， 電路開(kāi)始工作的瞬間， INPUT腳可能會(huì)出現(xiàn)-11V的負(fù)壓， 從而造成器件損壞； R1為1kΩ電阻， 可以防止輸入端電流過(guò)大。

　　4.3 輸出吸收電路

　　輸出吸收電路由100Ω/2W的電阻Rn和1nF/200V的電容Cn串聯(lián)構(gòu)成， 該電路用于減少輸出高次諧波， 避免與負(fù)載電路發(fā)生諧振。

　　5 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

　　電源整機(jī)組裝完成后， 便可對(duì)電源的各項(xiàng)指標(biāo)進(jìn)行測(cè)試。使用HP數(shù)字示波器， 電源輸出有效值電壓為20V， 縱坐標(biāo)每格為10V， 橫坐標(biāo)每格為500μs時(shí)， 其測(cè)試波形如圖5所示(見(jiàn)第11頁(yè))。圖中， 由于PWM放大器的調(diào)制頻率較高，波形還原好， 波形平滑， 故用8903B音頻分析儀測(cè)定的輸出波形失真度都小于1%。另外， 由于使用數(shù)字頻率合成技術(shù)， 輸出信號(hào)頻率穩(wěn)定， 高。因此， 通過(guò)加載測(cè)試顯示，負(fù)載特性好， 電壓輸出波動(dòng)小， 響應(yīng)速度較快。

圖5 輸出波形圖

　　6 結(jié)束語(yǔ)

　　采用PWM放大器MSK4225設(shè)計(jì)的中頻電源，其設(shè)計(jì)方法先進(jìn)， 集成度高， 可以解決以前以小規(guī)模集成電路設(shè)計(jì)的中頻電源控制電路復(fù)雜， 調(diào)試?yán)щy等突出問(wèn)題。另外， 由于原來(lái)需要單獨(dú)設(shè)計(jì)的三角波電路、PWM波電路、死區(qū)電路、隔離驅(qū)動(dòng)電路和“H” 橋功率變換電路都全部集成在MSK4225一個(gè)元件封裝內(nèi)， 并且只需要單電源供電， 故使得所設(shè)計(jì)電源的體積減小、電路設(shè)計(jì)簡(jiǎn)化以及電源的可靠性顯著提高。同時(shí)， 由于調(diào)制頻率的提高， 也使電源輸出品質(zhì)得到了相應(yīng)的改善。

參考文獻(xiàn):

[1]. TTL datasheet http://m.58mhw.cn/datasheet/TTL_1174409.html.
[2]. AD7008 datasheet http://m.58mhw.cn/datasheet/AD7008_122176.html.
[3]. Atmega64 datasheet http://m.58mhw.cn/datasheet/Atmega64_144679.html.
[4]. MUR460 datasheet http://m.58mhw.cn/datasheet/MUR460_492964.html.
[5]. P6KE68A datasheet http://m.58mhw.cn/datasheet/P6KE68A_282045.html.
[6]. 1N4740 datasheet http://m.58mhw.cn/datasheet/1N4740_2035657.html.