可程控交流电源供应器简介及应用
将电压波形编辑、输出功率级、输出量测整合成一台仪器,就称为可程控交流电源供应器(Programmable AC Source)。 一台可程控交流电源供应器所具备功能包括: 输出电压可调整范围0～300VAC, 频率可调整范围45～500Hz(400Hz:**或航空用); 可量测输出电压、输出电流、输出实功率等电源测试常需要的参数。而功能更强大的交流电源供应器则不限于上述基本功能,为了各种测试及法规的要求,能输出各类合成波形,甚至能输出并联或串联,量测电流谐波成分等。
可程控交流电源供应器简介及应用
交流电源供应器架构
交流电源供应器架构如图一,包括输入级(input stage)、能量转换级(power stage)、输出级(output stage)、波形产生器、控制及量测单元(waveform generator, control and measurement unit)和用户界面(user interface)。
图：１
就交流电源供应器的能量转换架构而言, 必须包含三部分: 将交流输入电压转成直流电压 (A/D power stage);将直流电压转成输出交流电压 (D/A power stage);将输入电源基准与输出电源基准隔离。因为交流电源供应器是一电压供应源, 无法限制或预测使用者会将它用在何种待测物。且一般交流电源与接地端有一固定的电位差, 若待测物也带有电位, 就可能会发生短路情形。甚至有时候会将电压源串联使用, 若没有输出隔离的装置, 则会发生烧毁。所以以电源供应器的角度来看, 输出电压准位浮动是必要条件。
以下将一般交流电源供应器的数种架构图列出, 并加以说明。
图：２
如图二, 这是早期*常用的架构, 交流电源输入后, A/D power stage 用简单的桥式整流为直流电压, 再用线性功率放大器转换成交流电压, *后用变压器转换成输出电压, 并达到隔离的目的。而这种有输出变压器架构的设计, 会造成输出阻抗增加, 无法高速提供电流。且一般这类变压器高频响应不佳, 若再加上负载效应, 输出电压波形易失真。而因为输出端是变压器, 电压应是纯交流电,不会包含有直流成份。但另一方面, 就无法做有直流成份电压输出的仿真了。
如图三, 在交流输入后马上用变压器做隔离, 经交流转直流后, 再直流转交流电压输出。输出端不需变压器, 免除了图一架构的缺点, 能有较大电流输出, 并有较高的输出频宽。但输入变压器的能量转换, 和采用输出变压器比较, 需考虑更大的转换能力。尤其若A/D power stage没有功率因数校正(Power Factor Correction)功能时, 就需要有更大的功率负荷。
图：４
如图四, 此交流电源供应器的架构中, 没看到隔离用的变压器, 代替的是一个直流转直流(D/D power stage)的部分。其实在电压转换过程中, 已用高频的变压器做隔离了。而在图二及图三中的变压器, 原则上属于低频变压器。体积大, 重量又重, 转换效率差。用这种架构能大幅减轻整机的重量, 并提高效率, 且可免除因输入电压变动造成的线性调整的问题。但所需技术层面较高, 且高频转换产生的噪声要妥善处理。
就其中A/D power stage来讨论, 要达到交流转直流的功能, *简单的是使用桥式二极管来整流。但因没有主动功率因数校正, 或只在传输线上用电感或电容做被动式校正, 会产生很多浪费的虚功, 也几乎无法通过IEC1000-3-2输入电流谐波成份限制的规范。另外, 整流出的电压会随输入电压而变动, 若设计**, 甚至会影响到输出电压。所以A/D power stage设计上*好应采用有主动式PFC的转换电路。不仅可以稳压, 也达到节能的效果。
在D/A power stage部分依能量转换方式, 又可分为线性放大式(Linear)及切换式(Switching)。
图：５
图五, 是一用线性放大器的D/A power stage。主要是由NPN及PNP功率晶体管组件组成,由驱动线路控制做push-pull动作输出电压。电压反馈经控制器补偿后, 再去改变驱动讯号。因为晶体管做输出级,会有零交越点失真的问题,需要在驱动线路上做补偿。高频输出时的相位落后问题更增加其困难度,所以失真的问题不易解决。用线性放大器方式做的D/A power stage有输出电源噪声少的优点,但因为有电压差落在功率晶体管上,效率比较差,约45%～55%。且因驱动线路设计不易,常会先产生低电压的电源, 再用变压器来升压, 这又造成输出阻抗增加,频宽受限,现在的交流电源供应器已逐渐不采用这类设计方式。
图：６
图六所示, 是用切换式的D/A power stage。主要是由一全桥式功率半导体组件组成开关动作, 旁边的二极管提供电流连续的导通路径。而输出的电感和电容可滤除掉切换频率所在的电压成份, 保留输出需要的低频成份。反馈电压及电流讯号经处理后, 用脉宽调制(Pulse Width Modulation)的控制方式, 来控制开关切换时间。切换频率应在40k、50kHz以上, 太低的切换频率其输出波形易失真, 瞬时响应也不佳。这种切换式的D/A power stage和传统用线性放大器比较, 可大幅提高效率至85%～90%, 减少体积重量。但输出端会有因切换开关造成的纹波电压,且容易有切换噪声。
可程控交流电源供应器简介及应用
交流电源供应器的应用范围
一些电器用品的可输入交流电规格,频率一般是47Hz～63Hz, 电压甚至有85V～264V。在这么大的范围, 光凭市电测试没问题,还不能下定论认为其它输入电压也能正常工作。如果产品要外销至欧洲,没测试过230V、 50Hz及其可能变动范围的电压, 就很冒险。而如果只使用自耦式变压器来调整,也很难达到要求。这时一定要用交流电源供应器来仿真各种市电,才能肯定产品的输入电压规格。交流电源供应器的功能不仅如此。一般对交流电源供应器主要需求者是制造电源供应器的厂家, 对除了上述的输入电压范围必测外, 电压波形的开机角度及关机角度,都有相对的规格需求得做测试。此外*重要的,交流电源供应器不仅可仿真正常的市电, 更要仿真出市电异常的状况,借此来看待测物是否还能正常工作。若待测物设计没有完善的考虑, 可能供电一异常,马上就有损坏的可能。除了制造电器用品的厂家需要用到交流电源供应器,验收的单位也应配备交流电源供应器来确保电器的制造及设计品质。
除了功能考虑外, 使用者选择交流电源供应器的*大困惑是该选择多大功率的机种。如果一个输出300W的电源供应器, 那选择可输出500W的交流电源供应器是否就足够? 在此做个计算 :
输出功率300W,效率（Eff）70%,功率因数（PF）0.5,需做过功率（OPP）测试,范围110%～130%,*低输入电压（Low Line）90V,所以得出：
*大输出实功率=输出功率×*大过功率范围
= 300×1.3 = 390W
*大输入端实功率=*大输出实功率/效率
=390W/0.7 = 557W
*大输入端视在功率=*大输入端实功率/功率因数
=557W/0.5 = 1114VA
*大输出端rms电流=*大输入端视在功率/*低输入电压
= 1114VA / 90 = 12.4A
由以上*大输出端rms电流 = 12.4A;而市场上的可提供到12.4A电流,一般需要2kW的机种。除此之外, 若此待测物输入电流波峰因数 (CF) 为3, 就还须考虑此交流电源供应器*大输出端峰值电流 12.4×3 = 37.2A才能符合测试需求。
常用来测试的异常交流电源波形, 应都可由交流电源供应器来仿真出, 有以下几种: 浪涌,下陷,周期瞬断,箝制正弦波,中断,频率变动。
除此外, 现代的可程控交流电源供应器因数**算能力增加, 应可仿真出以下几种可能的异常输入电压：正常电压波形上有突波或瞬断;频率与电压渐增或渐减 ;在直流电压上叠交流电压或瞬间变化;两个不同频率正弦波的合成波。
交流电源供应器不仅可仿真各种电压波形, 也应具有量测的功能。一项很重要的量测, 就是量测待测物开机时的涌入电流。一般电源供应器此项都为必测项目。除了提供使用者直接的输出电源资料外,交流电源供应器还可对电压电流值做分析, 使用DSP技术做FFT运算, 求得输出波形的失真度, 基本波, 四十阶的谐波成份等, 把本来得在外部用的一台功率分析仪的功能, 就内建在里面了。
设计完备的交流电源供应器, 有些还提供一些附加功能, 让使用者更方便 :
1. 仿真讯号控制端 :
a. 使用者由外界提供一个直流电压基准, 来控制输出交流电压的振幅大小。
b. 可将使用者提供的讯号类此放大, 成为一台功率放大器。
2. TTL基准的讯号, 通知或接受使用者做进一步反应, 例如
a. 同步输出讯号 : 当电压输出时, 也同时输出此讯号。
b. 电压瞬变讯号 : 当电压大小或频率有变化时, 也同时输出此讯号。
c. 保护通知讯号 : 当发生保护动作时, 输出此讯号。
d. 电源抑制讯号 : 由使用者控制此讯号, 来停止或开始电压的输出。
3. 可以用三台单相输出的交流电源供应器, 使用所提供的同步讯号, 达到输出三相交流电源的功能。或甚至当单台输出功率不足时, 可以两台并联输出使用。
可程控交流电源供应器可仿真世界各地的交流电源, 也可依使用者设定, 输出一些异常或指定的电压波形, 并对输出的电压电流做量测分析, 在各种电器产品设计及验证时不可缺少。另外它有数字或仿真控制界面, 为工厂自动化测试流程提供一项利器。