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多年來，可編程交流電源已廣泛用于實施和支持許多產(chǎn)品測試程序。它們使測試工程師能夠完全控制測試單元(UUT)的電壓、頻率和電流。此類產(chǎn)品用于模擬交流和直流供電產(chǎn)品實際使用中可能出現(xiàn)的各種電源條件和異常情況。它們對于為軍事和航空電子設(shè)備電源子系統(tǒng)提供必需的400 Hz或800 Hz頻率交流電源也至關(guān)重要。

　　可編程交流電源為設(shè)計和/或測試工程師提供以下特點和好處：

　　1、交流電網(wǎng)輸入和UUT輸出之間的安全隔離;

　　2、’將世界各地的任何電網(wǎng)電壓和頻率轉(zhuǎn)換為UUT的特定期望輸出頻率;

　　3、精確控制輸出電壓，包括線路和負(fù)載調(diào)節(jié);

　　4、穩(wěn)定可控的輸出功率，不受任何交流線路輸入波動或瞬時電壓下降的影響;

　　5、從單相到三相、單相到分相或三相到單相的相位轉(zhuǎn)換。

　　傳統(tǒng)交流電源拓?fù)渑c設(shè)計

　　絕大多數(shù)可用的交流電源設(shè)計基于脈寬調(diào)制控制電路，并使用低頻變壓器在交流電源的輸入和輸出之間提供隔離。

　　這些PWM設(shè)計通常使用模擬控制電路來提供輸出調(diào)節(jié)、電流限制功能和頻率轉(zhuǎn)換功能。雖然這是一個經(jīng)過驗證的設(shè)計，可以追溯到20世紀(jì)80年代初，但它充滿了缺點，列出一些：

　　1、使用工頻交流輸入變壓器提供電流隔離可顯著增加產(chǎn)品的尺寸和重量，尤其是隨著功率水平的增加。例如，考慮到變壓器損耗，15kVA交流電源需要17kVA三相輸入變壓器，重量約63.5kg，使用這種設(shè)計的電源總重量可超過181.4kg。

　　2、使用輸出變壓器提供電流隔離會導(dǎo)致尺寸和重量的類似增加，并阻止產(chǎn)生直流輸出能力。此外，此類輸出變壓器必須支持與可編程交流電源相關(guān)的寬頻率范圍，通常從45 Hz到1000 Hz或更高，需要更復(fù)雜和更昂貴的變壓器設(shè)計。

　　3、模擬控制回路受離散元件變化和溫度漂移的影響。這會對精度和穩(wěn)定性產(chǎn)生負(fù)面影響，需要調(diào)整進(jìn)行校準(zhǔn)。

　　該拓?fù)涞暮喕驁D如圖1所示。它顯示了單相輸入、單相輸出源，但三相版本在設(shè)計上類似。

　                                         　圖1:傳統(tǒng)交流電源拓?fù)?/p>

　　一些制造商通過一些數(shù)字信號處理器(DSP)控制功能來增強(qiáng)這種方法，但它們通常是放大器外部控制回路的一部分，因此速度較慢，或者被降級為用戶界面和前面板控制功能。這種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的變化可以在設(shè)計中找到，例如在串聯(lián)/并聯(lián)模式下帶有雙逆變器的直接耦合輸出級，以消除輸出變壓器，這消除了對輸出變壓器的需求，但成本較高。

　　數(shù)字功率轉(zhuǎn)換

　　支持交流電源寬輸出頻率范圍(通常高于30kHz)所需的較高PWM開關(guān)速度使得使用DSP提供所有控制功能變得困難。隨著DSP技術(shù)在性能和成本方面的最新進(jìn)展，支持這些開關(guān)頻率的交流電源設(shè)計的全數(shù)字實現(xiàn)現(xiàn)在是可行的。

　　全數(shù)字控制優(yōu)勢

　　使用關(guān)鍵功率轉(zhuǎn)換級的全數(shù)字控制消除了大量與模擬元件和控制電路相關(guān)的公差和變化。此外，在PWM開關(guān)頻率下以周期為基礎(chǔ)實時監(jiān)控和控制開關(guān)事件的能力，對可能發(fā)生的負(fù)載或線路感應(yīng)異常提供了更好的保護(hù)。這種級別的保護(hù)不再受模擬濾波和平均的影響，這會在傳統(tǒng)電源設(shè)計中引入延遲。

　　這些改進(jìn)允許進(jìn)行以下拓?fù)涓模?/strong>

　　將用于隔離的交流輸入變壓器更換為有源功率因數(shù)校正的交流/直流轉(zhuǎn)換級，然后更換帶有電流隔離的甚高頻直流/直流轉(zhuǎn)換級，可顯著減小輸入級部件的尺寸和重量。

　　用單個高輸出電壓逆變器替換任何輸出變壓器或串聯(lián)/并聯(lián)輸出逆變器級，既支持低壓/大電流要求，也支持高壓/低電流要求。

　　這種基于數(shù)字控制的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖3所示。

　                         　圖3 數(shù)字交流電源拓?fù)?/p>

　　使用全數(shù)字控制具有許多優(yōu)點：

　　1、由于消除了輸入和輸出變壓器，重量更小，尺寸更小，

　　2、更高的功率密度和更低的損耗，這是由于提高了效率和更高的開關(guān)頻率，從而減小了輸出濾波器電感的尺寸，

　　3、由于更高的PWM開關(guān)速度和改進(jìn)的數(shù)字濾波，降低了輸出開關(guān)噪聲，

　　4、更寬的交流電壓輸入范圍，帶有源功率因數(shù)校正，以及恒定功率輸出電壓范圍適用于更寬的工作區(qū)域，同時消除了雙輸出范圍和相關(guān)范圍切換的需要。

　　其他設(shè)計創(chuàng)新

　　使用來自不同行業(yè)背景的經(jīng)驗豐富的工程師團(tuán)隊開發(fā)干凈的板材設(shè)計，在設(shè)計和施工方面帶來了一些額外的創(chuàng)新。舉幾個例子：

　　1、通過使用機(jī)械分層結(jié)構(gòu)和板之間的直接互連，消除容易發(fā)生故障的帶狀電纜和組件之間的互連;

　　2、單個高熱質(zhì)量散熱器，兼作整個機(jī)組的結(jié)構(gòu)機(jī)械支撐，以實現(xiàn)最大冷卻的低氣流，并降低可聽見的風(fēng)扇噪音;

　　3、使用多個聯(lián)網(wǎng)DSP劃分關(guān)鍵功能，同時提供更高級別的冗余;

　　4、多個DSP之間的高速差分模式串行通信總線，以增強(qiáng)抗噪性;

　　5、主動并聯(lián)、主/輔助、菊花鏈控制接口，允許通過并聯(lián)連接多個電源配置更高功率系統(tǒng);

　　6、直流耦合輸出模式，具有獨特的直流偏移減少控制電路，用于在交流模式下實現(xiàn)最小直流偏移;

　　7、整體效率高，盡管使用了三個功率轉(zhuǎn)換級;

　　8、在閑置期間采用節(jié)能睡眠模式，以降低能耗并延長產(chǎn)品壽命。

　　新的用戶功能成為可能

　　通過對每個內(nèi)部切換周期提供更好的控制，可以實現(xiàn)獨特的新用戶功能，旨在為受測試單元提供更好的保護(hù)。它還將用戶連接錯誤或原型UUT可能引起的損壞對電源本身可能造成的損壞降至最低。以下是這類函數(shù)的兩個示例和用法：

　　1、真實功率或視在功率限制函數(shù)

　　2、設(shè)置可編程電流限制和功率限制的能力對于許多表現(xiàn)出恒定功率輸入行為的受測試單元來說非常重要。可在寬交流輸入范圍(如85伏交流電壓至265伏交流電壓)下工作的受測試單元不能僅通過電流限制功能進(jìn)行保護(hù)。如果輸入電壓更改為230 V，則在115-V輸入時保護(hù)的相同電流無法保護(hù)UUT，只有真正的功率限制功能才能做到這一點。