可程控交流電源供應(yīng)器簡介及應(yīng)用
將電壓波形編輯、輸出功率級、輸出量測整合成一臺(tái)儀器,就稱為可程控交流電源供應(yīng)器(Programmable AC Source)。 一臺(tái)可程控交流電源供應(yīng)器所具備功能包括: 輸出電壓可調(diào)整范圍0～300VAC, 頻率可調(diào)整范圍45～500Hz(400Hz:**或航空用); 可量測輸出電壓、輸出電流、輸出實(shí)功率等電源測試常需要的參數(shù)。而功能更強(qiáng)大的交流電源供應(yīng)器則不限于上述基本功能,為了各種測試及法規(guī)的要求,能輸出各類合成波形,甚至能輸出并聯(lián)或串聯(lián),量測電流諧波成分等。
可程控交流電源供應(yīng)器簡介及應(yīng)用
交流電源供應(yīng)器架構(gòu)
交流電源供應(yīng)器架構(gòu)如圖一,包括輸入級(input stage)、能量轉(zhuǎn)換級(power stage)、輸出級(output stage)、波形產(chǎn)生器、控制及量測單元(waveform generator, control and measurement unit)和用戶界面(user interface)。
圖：１
就交流電源供應(yīng)器的能量轉(zhuǎn)換架構(gòu)而言, 必須包含三部分: 將交流輸入電壓轉(zhuǎn)成直流電壓 (A/D power stage);將直流電壓轉(zhuǎn)成輸出交流電壓 (D/A power stage);將輸入電源基準(zhǔn)與輸出電源基準(zhǔn)隔離。因?yàn)榻涣麟娫垂?yīng)器是一電壓供應(yīng)源, 無法限制或預(yù)測使用者會(huì)將它用在何種待測物。且一般交流電源與接地端有一固定的電位差, 若待測物也帶有電位, 就可能會(huì)發(fā)生短路情形。甚至有時(shí)候會(huì)將電壓源串聯(lián)使用, 若沒有輸出隔離的裝置, 則會(huì)發(fā)生燒毀。所以以電源供應(yīng)器的角度來看, 輸出電壓準(zhǔn)位浮動(dòng)是必要條件。
以下將一般交流電源供應(yīng)器的數(shù)種架構(gòu)圖列出, 并加以說明。
圖：２
如圖二, 這是早期*常用的架構(gòu), 交流電源輸入后, A/D power stage 用簡單的橋式整流為直流電壓, 再用線性功率放大器轉(zhuǎn)換成交流電壓, *后用變壓器轉(zhuǎn)換成輸出電壓, 并達(dá)到隔離的目的。而這種有輸出變壓器架構(gòu)的設(shè)計(jì), 會(huì)造成輸出阻抗增加, 無法高速提供電流。且一般這類變壓器高頻響應(yīng)不佳, 若再加上負(fù)載效應(yīng), 輸出電壓波形易失真。而因?yàn)檩敵龆耸亲儔浩? 電壓應(yīng)是純交流電,不會(huì)包含有直流成份。但另一方面, 就無法做有直流成份電壓輸出的仿真了。
如圖三, 在交流輸入后馬上用變壓器做隔離, 經(jīng)交流轉(zhuǎn)直流后, 再直流轉(zhuǎn)交流電壓輸出。輸出端不需變壓器, 免除了圖一架構(gòu)的缺點(diǎn), 能有較大電流輸出, 并有較高的輸出頻寬。但輸入變壓器的能量轉(zhuǎn)換, 和采用輸出變壓器比較, 需考慮更大的轉(zhuǎn)換能力。尤其若A/D power stage沒有功率因數(shù)校正(Power Factor Correction)功能時(shí), 就需要有更大的功率負(fù)荷。
圖：４
如圖四, 此交流電源供應(yīng)器的架構(gòu)中, 沒看到隔離用的變壓器, 代替的是一個(gè)直流轉(zhuǎn)直流(D/D power stage)的部分。其實(shí)在電壓轉(zhuǎn)換過程中, 已用高頻的變壓器做隔離了。而在圖二及圖三中的變壓器, 原則上屬于低頻變壓器。體積大, 重量又重, 轉(zhuǎn)換效率差。用這種架構(gòu)能大幅減輕整機(jī)的重量, 并提高效率, 且可免除因輸入電壓變動(dòng)造成的線性調(diào)整的問題。但所需技術(shù)層面較高, 且高頻轉(zhuǎn)換產(chǎn)生的噪聲要妥善處理。
就其中A/D power stage來討論, 要達(dá)到交流轉(zhuǎn)直流的功能, *簡單的是使用橋式二極管來整流。但因沒有主動(dòng)功率因數(shù)校正, 或只在傳輸線上用電感或電容做被動(dòng)式校正, 會(huì)產(chǎn)生很多浪費(fèi)的虛功, 也幾乎無法通過IEC1000-3-2輸入電流諧波成份限制的規(guī)范。另外, 整流出的電壓會(huì)隨輸入電壓而變動(dòng), 若設(shè)計(jì)**, 甚至?xí)绊懙捷敵鲭妷?。所以A/D power stage設(shè)計(jì)上*好應(yīng)采用有主動(dòng)式PFC的轉(zhuǎn)換電路。不僅可以穩(wěn)壓, 也達(dá)到節(jié)能的效果。
在D/A power stage部分依能量轉(zhuǎn)換方式, 又可分為線性放大式(Linear)及切換式(Switching)。
圖：５
圖五, 是一用線性放大器的D/A power stage。主要是由NPN及PNP功率晶體管組件組成,由驅(qū)動(dòng)線路控制做push-pull動(dòng)作輸出電壓。電壓反饋經(jīng)控制器補(bǔ)償后, 再去改變驅(qū)動(dòng)訊號。因?yàn)榫w管做輸出級,會(huì)有零交越點(diǎn)失真的問題,需要在驅(qū)動(dòng)線路上做補(bǔ)償。高頻輸出時(shí)的相位落后問題更增加其困難度,所以失真的問題不易解決。用線性放大器方式做的D/A power stage有輸出電源噪聲少的優(yōu)點(diǎn),但因?yàn)橛须妷翰盥湓诠β示w管上,效率比較差,約45%～55%。且因驅(qū)動(dòng)線路設(shè)計(jì)不易,常會(huì)先產(chǎn)生低電壓的電源, 再用變壓器來升壓, 這又造成輸出阻抗增加,頻寬受限,現(xiàn)在的交流電源供應(yīng)器已逐漸不采用這類設(shè)計(jì)方式。
圖：６
圖六所示, 是用切換式的D/A power stage。主要是由一全橋式功率半導(dǎo)體組件組成開關(guān)動(dòng)作, 旁邊的二極管提供電流連續(xù)的導(dǎo)通路徑。而輸出的電感和電容可濾除掉切換頻率所在的電壓成份, 保留輸出需要的低頻成份。反饋電壓及電流訊號經(jīng)處理后, 用脈寬調(diào)制(Pulse Width Modulation)的控制方式, 來控制開關(guān)切換時(shí)間。切換頻率應(yīng)在40k、50kHz以上, 太低的切換頻率其輸出波形易失真, 瞬時(shí)響應(yīng)也不佳。這種切換式的D/A power stage和傳統(tǒng)用線性放大器比較, 可大幅提高效率至85%～90%, 減少體積重量。但輸出端會(huì)有因切換開關(guān)造成的紋波電壓,且容易有切換噪聲。
可程控交流電源供應(yīng)器簡介及應(yīng)用
交流電源供應(yīng)器的應(yīng)用范圍
一些電器用品的可輸入交流電規(guī)格,頻率一般是47Hz～63Hz, 電壓甚至有85V～264V。在這么大的范圍, 光憑市電測試沒問題,還不能下定論認(rèn)為其它輸入電壓也能正常工作。如果產(chǎn)品要外銷至歐洲,沒測試過230V、 50Hz及其可能變動(dòng)范圍的電壓, 就很冒險(xiǎn)。而如果只使用自耦式變壓器來調(diào)整,也很難達(dá)到要求。這時(shí)一定要用交流電源供應(yīng)器來仿真各種市電,才能肯定產(chǎn)品的輸入電壓規(guī)格。交流電源供應(yīng)器的功能不僅如此。一般對交流電源供應(yīng)器主要需求者是制造電源供應(yīng)器的廠家, 對除了上述的輸入電壓范圍必測外, 電壓波形的開機(jī)角度及關(guān)機(jī)角度,都有相對的規(guī)格需求得做測試。此外*重要的,交流電源供應(yīng)器不僅可仿真正常的市電, 更要仿真出市電異常的狀況,借此來看待測物是否還能正常工作。若待測物設(shè)計(jì)沒有完善的考慮, 可能供電一異常,馬上就有損壞的可能。除了制造電器用品的廠家需要用到交流電源供應(yīng)器,驗(yàn)收的單位也應(yīng)配備交流電源供應(yīng)器來確保電器的制造及設(shè)計(jì)品質(zhì)。
除了功能考慮外, 使用者選擇交流電源供應(yīng)器的*大困惑是該選擇多大功率的機(jī)種。如果一個(gè)輸出300W的電源供應(yīng)器, 那選擇可輸出500W的交流電源供應(yīng)器是否就足夠? 在此做個(gè)計(jì)算 :
輸出功率300W,效率（Eff）70%,功率因數(shù)（PF）0.5,需做過功率（OPP）測試,范圍110%～130%,*低輸入電壓（Low Line）90V,所以得出：
*大輸出實(shí)功率=輸出功率×*大過功率范圍
= 300×1.3 = 390W
*大輸入端實(shí)功率=*大輸出實(shí)功率/效率
=390W/0.7 = 557W
*大輸入端視在功率=*大輸入端實(shí)功率/功率因數(shù)
=557W/0.5 = 1114VA
*大輸出端rms電流=*大輸入端視在功率/*低輸入電壓
= 1114VA / 90 = 12.4A
由以上*大輸出端rms電流 = 12.4A;而市場上的可提供到12.4A電流,一般需要2kW的機(jī)種。除此之外, 若此待測物輸入電流波峰因數(shù) (CF) 為3, 就還須考慮此交流電源供應(yīng)器*大輸出端峰值電流 12.4×3 = 37.2A才能符合測試需求。
常用來測試的異常交流電源波形, 應(yīng)都可由交流電源供應(yīng)器來仿真出, 有以下幾種: 浪涌,下陷,周期瞬斷,箝制正弦波,中斷,頻率變動(dòng)。
除此外, 現(xiàn)代的可程控交流電源供應(yīng)器因數(shù)**算能力增加, 應(yīng)可仿真出以下幾種可能的異常輸入電壓：正常電壓波形上有突波或瞬斷;頻率與電壓漸增或漸減 ;在直流電壓上疊交流電壓或瞬間變化;兩個(gè)不同頻率正弦波的合成波。
交流電源供應(yīng)器不僅可仿真各種電壓波形, 也應(yīng)具有量測的功能。一項(xiàng)很重要的量測, 就是量測待測物開機(jī)時(shí)的涌入電流。一般電源供應(yīng)器此項(xiàng)都為必測項(xiàng)目。除了提供使用者直接的輸出電源資料外,交流電源供應(yīng)器還可對電壓電流值做分析, 使用DSP技術(shù)做FFT運(yùn)算, 求得輸出波形的失真度, 基本波, 四十階的諧波成份等, 把本來得在外部用的一臺(tái)功率分析儀的功能, 就內(nèi)建在里面了。
設(shè)計(jì)完備的交流電源供應(yīng)器, 有些還提供一些附加功能, 讓使用者更方便 :
1. 仿真訊號控制端 :
a. 使用者由外界提供一個(gè)直流電壓基準(zhǔn), 來控制輸出交流電壓的振幅大小。
b. 可將使用者提供的訊號類此放大, 成為一臺(tái)功率放大器。
2. TTL基準(zhǔn)的訊號, 通知或接受使用者做進(jìn)一步反應(yīng), 例如
a. 同步輸出訊號 : 當(dāng)電壓輸出時(shí), 也同時(shí)輸出此訊號。
b. 電壓瞬變訊號 : 當(dāng)電壓大小或頻率有變化時(shí), 也同時(shí)輸出此訊號。
c. 保護(hù)通知訊號 : 當(dāng)發(fā)生保護(hù)動(dòng)作時(shí), 輸出此訊號。
d. 電源抑制訊號 : 由使用者控制此訊號, 來停止或開始電壓的輸出。
3. 可以用三臺(tái)單相輸出的交流電源供應(yīng)器, 使用所提供的同步訊號, 達(dá)到輸出三相交流電源的功能?；蛏踔廉?dāng)單臺(tái)輸出功率不足時(shí), 可以兩臺(tái)并聯(lián)輸出使用。
可程控交流電源供應(yīng)器可仿真世界各地的交流電源, 也可依使用者設(shè)定, 輸出一些異?；蛑付ǖ碾妷翰ㄐ? 并對輸出的電壓電流做量測分析, 在各種電器產(chǎn)品設(shè)計(jì)及驗(yàn)證時(shí)不可缺少。另外它有數(shù)字或仿真控制界面, 為工廠自動(dòng)化測試流程提供一項(xiàng)利器。