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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。此類產品用于模擬交流和直流供電產品實際使用中可能出現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重要。

　　可編程交流電源為設計和/或測試工程師提供以下特點和好處：

　　1、交流電網輸入和UUT輸出之間的安全隔離;

　　2、’將世界各地的任何電網電壓和頻率轉換為UUT的特定期望輸出頻率;

　　3、精確控制輸出電壓，包括線路和負載調節(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換。

　　傳統(tǒng)交流電源拓撲與設計

　　絕大多數可用的交流電源設計基于脈寬調制控制電路，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設計通常使用模擬控制電路來提供輸出調節(jié)、電流限制功能和頻率轉換功能。雖然這是一個經過驗證的設計，可以追溯到20世紀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致尺寸和重量的類似增加，并阻止產生直流輸出能力。此外，此類輸出變壓器必須支持與可編程交流電源相關的寬頻率范圍，通常從45 Hz到1000 Hz或更高，需要更復雜和更昂貴的變壓器設計。

　　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)定性產生負面影響，需要調整進行校準。

　　該拓撲的簡化框圖如圖1所示。它顯示了單相輸入、單相輸出源，但三相版本在設計上類似。

　                                         　圖1:傳統(tǒng)交流電源拓撲

　　一些制造商通過一些數字信號處理器(DSP)控制功能來增強這種方法，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。這種拓撲結構的變化可以在設計中找到，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。

　　數字功率轉換

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

　　全數字控制優(yōu)勢

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

　　這些改進允許進行以下拓撲更改：

　　將用于隔離的交流輸入變壓器更換為有源功率因數校正的交流/直流轉換級，然后更換帶有電流隔離的甚高頻直流/直流轉換級，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。

　　這種基于數字控制的拓撲結構如圖3所示。

　                         　圖3 數字交流電源拓撲

　　使用全數字控制具有許多優(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開關速度和改進的數字濾波，降低了輸出開關噪聲，

　　4、更寬的交流電壓輸入范圍，帶有源功率因數校正，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范圍切換的需要。

　　其他設計創(chuàng)新

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

　　1、通過使用機械分層結構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、單個高熱質量散熱器，兼作整個機組的結構機械支撐，以實現最大冷卻的低氣流，并降低可聽見的風扇噪音;

　　3、使用多個聯(lián)網DSP劃分關鍵功能，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最小直流偏移;

　　7、整體效率高，盡管使用了三個功率轉換級;

　　8、在閑置期間采用節(jié)能睡眠模式，以降低能耗并延長產品壽命。

　　新的用戶功能成為可能

　　通過對每個內部切換周期提供更好的控制，可以實現獨特的新用戶功能，旨在為受測試單元提供更好的保護。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。以下是這類函數的兩個示例和用法：

　　1、真實功率或視在功率限制函數

　　2、設置可編程電流限制和功率限制的能力對于許多表現出恒定功率輸入行為的受測試單元來說非常重要?？稍趯捊涣鬏斎敕秶?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行保護。如果輸入電壓更改為230 V，則在115-V輸入時保護的相同電流無法保護UUT，只有真正的功率限制功能才能做到這一點。