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开关式电压源的功率校准器
彼得扎杰克、詹尼斯纳斯特兰
电气工程学院
卢布尔雅那大学，斯洛文尼亚
摘要:本文研究一种频率为40Hz～65Hz、电压范围在30V～500V的正弦电压波形的精密开关电源。为了解决现代校准系统中电压（0.2%）和失真限制（THD0.7%）的问题，采用了反馈前馈控制原理对传统的带输出LC滤波器的逆变器设计进行了改进。本文介绍了电压源的拓扑结构，分析了其稳态响应，并对其进行了综合评价，。使用一个简单的传感器，能够在高的交流分量（500 Vrms）存在，寄生直流分量限制在5mV以下时检测到较小的不对称电压。实验结果表明，异常电压精度（0.2%）和低总谐波失真（THD）。
索引项-直流分量，前馈反馈电压控制、功率校准器、开关电源，总谐波失真。
一、引言
在过去的几年里，为了提高整体效率，特别是为了降低校准设备的重量和尺寸，人们对由现代开关电源（SMPS）组成的校准设备的兴趣增加了。功率校准器由电压和电流动力源组成，为虚拟负载测试装置供电，如图1所示。两个电源应在适当的电压（30 V–500 V）和电流（12 mA–120 A）范围内提供足够的功率。另外，它们之间的相位角也应设置在0到360之间，输出波形的振幅（0.2%）和相位（0.1）应已知且准确。
到目前为止，精密合成器和线性放大器的结合有效地解决了这些苛刻的要求。然而，这种设置有两个特点。首先，功率级为了达到所需的电压和电流要求包括了大量的变压器。第二，由于输出波形应如实放大参考波形，因此需要额外的电压和电流反馈，从而补偿负载效应和功率级非线性[1]。尽管在重量和尺寸方面有希望减少，但通常只有很少的SMP可以分配给校准源，需要额外的努力，例如使用被动过滤器。
在Cali-Brator系统中广泛使用开关电源的主要障碍是输出波形差、高次谐波失真过大、总谐波失真（THD）差和电压容限差。
本文介绍了一种开关式功率级单相功率校准器的研制。特别是提出并分析了一种新的电压源拓扑结构。在其发展过程中，主要注意电压谐波的充分降低，以获得较低的THD（0.7%），并将振幅和相位误差保持在规定的范围内
二、电压源说明
电压源的基本结构如图2所示。功率级包括传统的直流-交流桥逆变器，由IGBT晶体管和LC滤波器组成，LC滤波器由串联电感和电容组成，该拓扑采用有源电压波形，通过瞬时控制滤波电容电流和电压来实现。该电压表示提供给被测能量计的输出电压。
提出的有功电压波形由以下两个独立的控制回路组成。
A.电流控制回路
有功电压波形的形成是基于通过滤波电容向正弦电流供电，其值由首选的稳态电压决定。这种前馈控制是由一个使用了一个改进的时间离散控制器[2]的内部电流控制回路实现的。
图2 低功耗电路图
通过额定电流范围为10 A的霍尔电流探针，从参考电流中减去电容器的实际电流。减去后，瞬时电流误差被施加到随后的采样保持电路（SH）的两态控制器上。根据保持在sh输出端的电流误差符号，功率IGBT晶体管可以通断，从而减小电流误差。因此，实际电容器电流会一直跟踪由参考电路产生的参考电流。为了减小电流误差，IGBT晶体管的开关频率必须尽可能高。实际上，这是不可能的，甚至更严重的是，现有的高压（1200 V）IGBT的开关频率限制在30 kHz。
(1)
整体的简单性和SH电路限制最大开关频率是使用该电流控制器的主要原因。由于IGBT开关仅在采样周期（=50 kHz）定义的离散瞬间发生，因此电容器电流包含高含量的纹波电流，其定义为：
(2)
由于电容器对高频纹波电流呈现低阻抗路径，因此逆变器纹波电流主要流经电容器，但由于电容器平滑效应，输出电压没有受到过大的影响，如图6所示。
电流控制的等效框图系统如图3所示，前馈路径和内部电流反馈回路易于观察。表示参考电路的一部分，它提供由其传递函数给出的稳态电容电流。
(3)
图3 电流控制回路框图
从图3可以很容易看出，电容器电流上实施的电流控制回路可以消除负载干扰的影响，因为电容器电流是根据负载电流的变化而快速控制的。这一特点很重要，因为现在很多功率和能量计都含有电子元件，它们为校准器提供了非线性负载。
B. 前馈反馈电压控制回路
必须使用最高电压控制回路，否则由于缺少状态而导致的稳态电压误差变量发生。
(4)
实际电压（图2），用一个非导通电阻分压器测量，从参考电压中减去该分压器，然后将其接入比例积分（PI）控制器。PI控制器的输出建立了向内部电流控制器提供的指定电容器电流以及前馈控制提供的电容器参考电流。
由于可以假设参考电流等于流过滤波电容器的电流，因此可以用省略的电流反馈回路来分析电压控制回路。简化的前馈反馈电压控制块如图4所示。
图4 前馈反馈框图
传递函数表示定义的PI控制器
(5)
用PI控制器关闭电压反馈回路的结果在闭环传递函数中
(6)
同样地，电压误差确定为
(7)
(8)
6和7都重写为
(9)
(10)
三、电压源评价及性能
第II-A和II-B节中所述的前馈反馈控制回路的理想运行将产生理想功率校准器，其输出波形参数将是参考信号的精确模板（9），（10）。然而，在实践中，我们必须应对许多限制这种实现的限制。
A电压畸变
根据（2），在低输出电压下产生的过大电压差可能会使电容器的纹波电流超过限制，确保其对电压畸变的影响可以忽略不计（3）。这就是为什么输入直流母线电压必须降低，以满足失真要求。因此，我们将整个电压范围分为四个范围，分别是60 V、120 V、240 V和480 V的额定电压。带二次抽头的输入变压器为选定的电压范围提供最佳的直流母线电压。同时，它在电网和输出端之间提供电流隔离。
B.相位校正
根据（9）和（10），只要前馈路径的参数与电容器时间常数相匹配，输出电压就是指定参考电压的精确瞬变板。不幸的是，在实践中，由于滤波电容器与参考模型（由（12）定义）的不完全匹配，通常会出现稳态误差。
用极性符号表示的稳态电压误差等于
(11)
电压误差与基准频率相同。当振幅和相位根据（11）变化时发出信号。（11）中的频率依赖性抑制了这两个量被安装到指定的限值中。通过对稳定判据所确定的参数进行微调，证明了其均方根电压误差可以保持在0.2%以下。这是通过将（11）中的误差相位角保持在90左右来实现的，从而对均方根电压的影响最小。最终设置为：=10 ms，=15 at=1.5 ms，=100 s。使用这些设置，尽管参数变化=（1.5 0.3）ms，振幅误差仍保持在规定限值以下。
另一方面，应根据输出电压和频率对每个工作点的相位误差进行补偿。这就是为什么相位校正是通过与商用电压标准存储在控制软件中更正首选相位角设置。
C.总体精度
除了第III-B节所述的适当的PI控制器优化外，振幅精度首先取决于电压反馈电路的精度（图4）。反馈电路由精密薄膜电阻分压器和输入运算放大器组成，数字控制增益为1、2、4和8。根据首选的额定电压范围，每个增益由C选择。这一步除了保证高信噪比外，还保证了高动态范围。 同样的技术也应用于电流控制回路，根据（6）和（9）的规定，只要其频带足够宽，电流控制回路对电压的交流精度没有影响。这就是为什么市面上可买到的精度为10 mA/a、频率带宽为200 kHz的霍尔电流探针应用。
D.参考电路
建议的控制实施需要两个参考信号，即分别为和。它们的振幅和相位关系的定义是
(12)
参考波形的最低要求是由首选振幅和相位精度定义。这些请求通过以下方式拒绝参考信号计算：c. 因此，通过从EPROM查找表中读取波形来提供正弦波参考生成，保持了总体的简单性。EPROM内存映射包含4096个数字12位长的每个信号样本，包括符号。这些归一化的正弦波然后与DAC相乘，然后与从相应的12位DAC获得的振幅参考信号相乘。归一化的正弦波由所有4096个样本组成，而不管输出频率如何。
四、减小寄生直流引起的误差
由电压反馈不准确和与参考电压信号有关的小偏移电压所定义的电压误差可能导致输出直流电压分量，从而导致功率或能量的过度误差。此外，在被测设备卷取非线性（饱和）磁芯的情况下，它可能会导致输出功率级不安全甚至不可能工作。这在包含电流和/或电压互感器的功率计或能量计中很常见。
为了更好地降低寄生直流分量，我们研究了各种方法，包括自动拉合控制电路。然而，我们决定增加一个额外的直流电压传感器，我们安装在最高控制回路。它满足一些基本要求，例如
bull;在高交流分量的压力下，它检测到一个小于5 mV的直流分量（在40 Hz至65 Hz的频率范围内为500 V；
bull;体积小、重量轻、易于实施。
A.传感器拓扑结构概述
该传感器的工作是基于磁密度非对称性的检测，磁密度非对称性是应用直流分量最明显的测量方法。由于此传感器中出现的任何偏移电压都会导致错误，因此，由于霍尔效应传感器具有独特的温度漂移，因此将其用作最常见的传感器被拒绝。
所提出的测量拓扑结构的主要部分是由一个等匝的初级和次级绕组组成的差分变压器。风力连接如图5所示，其中一次侧受理想变压器的高比率输出电压激励，将等于应用的直流分量，因为在转换后，只有交流分量转换到二次侧。
图5带提取电路的差动变压器
图6 输出电压和电容器电流k=100V/DIV，k=5ms/DIV
实际操作略有不同。电压等于等于由磁感应电流引起的电压降，其中和是初级电阻和漏感。由于变压器输出端接一个高阻抗电子电路，进一步分析可以忽略二次等效元件上的电压降。假设无损耗磁芯，只测量外加直流电压。因此要特别注意变压器的设计，以便减少漏感和可能的一次对二次匝不匹配。为了提取直流分量，差分信号INA 103对变压器进行了放大，其特点是大输入共模抑制。然后它被送入控制积分器。将积分间隔设置为施加电压的周期T。
（13）
方程（13）是有效的，只要输入信号在积分间隔内不发生变化，那么只有积分电压与直流电压成正比，因为所有的三元交流贡献都被消除了。
五、实验结果
本节描述的电压源性能在各种条件下进行测试，以评估其特性。特别关注电压误差和THD的测定。所有测量值只在50赫兹和整个电压下范围内进行。
图7 电压误差。
图8总谐波失真与输出均方根电压额定功率s=800VA。
这两个测量结果在图中进行了总结7和8。这个图7中给出的电压误差表示为参考额定值范围电压为60V、120V、240V和480V。电压由EMH的TEZ 121.3型便携式电子三相不合格表测量。电阻负载为用于模拟商用电能计量装置。
正如预期的那样，证明了该控制原理在供电时的具有良好的动态性能，且无明显电压畸变或观察到动态电压误差。
六、结论
详细介绍了基于标准逆变器拓扑结构的前馈反馈电压控制升级电压源。该策略是有长处的，因为电容器电流可以根据负载电流的变化快速控制，而不会对输出电压产生显著影响。
此外，由于整体精度仅取决于电压反馈电路，因此所提出的控制结构可在电流反馈回路中使用市售电流探针。
所证明的电压误差从未超过0.2%。长期的误差也不应超过极限值，因为它只取决于极少数元件的绝对稳定性，主要是在参考和电压反馈电路中。
与我们的预期相反，结果是输出电压的振幅和相位不能在同一时刻保持在控制之下。特别地，本文描述了一种将电压误差控制在极限以下的PI控制器的优化设计。它的缺点是相位误差小，需要对相位角的设置进行额外的校正。
随着寄生直流分量的进一步减小，电压源的工作可靠性提高到了一个更高的水平。
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