新型高压大功率开关功率放大器的研制

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1、第27卷第5期航天器环境工程2010年10月SPACECRAFTENVIRONMENTENGINEERING625新型高压大功率开关功率放大器的研制张红彩，牛晓峰，邹文，李婧，王一东，张巧寿(北京强度环境研究所，北京100076)摘要：文章针对大型电动振动台的需求，提出了一种新型高压大功率开关功率放大器的设计方法，采用绝缘栅双极性晶体管(IGBT)全桥逆变电路和脉宽调制(PWM)集成控制电路来实现，研制出的样机调试取得良好效果。文中还对大功率IGBT驱动电路、单极性倍频PWM调制和输出滤波器进行了详细的讨论．关键词：开关功放；IGBT；驱动电路；PWM；

2、振动台中图分类号：V416．8文献标识码：A文章编号：1673-1379(2010)05-0625-06DoI：10．3969a．ism．1673．1379．2010．05．017O引言功率放大器是电动振动试验系统的关键设备，它本身的性能和与振动台的匹配状况直接关系着系统的性能【I】。国内旧的一些试验设备大都采用线性功放，与开关功率放大器(简称开关功放)相比，其效率低、功耗大、可靠性差，而且体积庞大，使用非常不方便。目前国内新的设备均采用了开关功放。由于受到国内开关功放的技术水平限制，几家大的振动设备厂商所使用的开关功放基本是从国外进口的早期开关功放或是

3、它们的仿制品。国外开关功放的研究已经达到了一个很高的技术水平，但输出电压的有效值仅在100V左右。近年来我国20t以上大型电动振动台的发展为卫星和导弹等大型飞行器进行综合应力环境试验提供了条件，也对高压大功率开关功放提出了需求，因此自主研发新型的开关功放迫在眉睫。作为振动台驱动设备的开关功放要求具备输出功率大、频率范围广、信噪比高、失真度小以及可靠性高等特点，为此在开关功放近年的研究中采用了许多新技术。目前开关功放控制方式普遍采用脉宽调制(pulsedwidthmodulation,PWM)技术【2。3】，都是使用分立元件来实现：而新兴的基于数字信号处理

4、(digitalsignalprocessing，DSP)的控制方式正处于研究当qbl4]。逆变主电路主要采用全桥电路结构，三电平以及多电平逆变电路的研究也方兴未艾[5】。功率场效应管(MOSFET)作为开关管得到了广泛的应用【6】，虽然MOSFET有较好的高速控制性能，但是容量小，难以实现大功率。本文提出了一种新型开关功放的设计方法，即采用PWM集成控制技术和绝缘栅双极性晶体管(insulatedgatebipolartransistor，IGBT)全桥电路实现高压大功率输出。基于上述方法所研制的样机单模块输出功率高达16kW，并且己在小型振动台上取得

5、满意的调试效果。下面介绍开关功放样机的研制和调试情况。l系统构成及工作原理新型开关功放系统主要由直流电源、主电路、控制电路、输出滤波器和显示通讯电路等几部分组成(如图1所示)。直流电源从电网接入380V交流电压，通过其电路的整流、滤波为主电路提供直流电压。主电路是由IGBT全控器件构成的全桥逆变器，它将直流电源输出的直流电压逆变成PWM脉冲交流电，再通过输出滤波器得到所需的波形信号。控制电路从输出滤波器的输出采集反馈信号并与给定信号比较，经控制电路的输出信号控制主电路开关管的通、断。输出滤波器将主电路输出的PWM脉冲波形信号进行解调、滤除、载波处理，输出

6、信号驱动振动台。显示通讯电路可提供良好的人机交互界收稿日期：2010—04-08；修回日期：2010-04—12基金项目：中国航天科技集团公司2008年度航天技术应用产业研发项目“大推力多轴振动系统关键技术”作者简介：张红彩(198I一)，男，硕士学位，主要从事振动台系统电气设备研制工作。626航天器环境工程第27卷面，以方便操作者操作、维护和搜集信息。系统的主电路、控制电路和输出滤波器是开关功放的关键部分，本文将重点介绍这3部分。电网吨}忸M骝图1新型开关功放系统框图Fig．1Systemchartofnewswitchingmodepowerampl

7、ifier2主电路设计由于开关功放对输出频率范围及输出波形质量的特殊要求，就主电路而言，无论是拓扑结构还是控制方案都显得尤为重要。可以说目前开关功放的瓶颈就在主电路上。开关功放主电路的拓扑结构主要有半桥、全桥、三电平以及多电平等逆变电路形式。全桥逆变电路是逆变电路中应用最多的，相比半桥逆变电路，它的输出电压幅值高出一倍。三电平以及多电平逆变电路能够提高逆变输出电压波形的电平数，从而能够减少谐波，提高输出电压波形质量，但是它们的电路结构和控制方法复杂，还有许多问题需要研究解决。本样机的主电路采用全桥逆变电路结构，如图2所示。图2样机的主电路原理图Fig．2

8、Principlediagramofthemaincircuitryforthe