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【讨论】变频电源、逆变器最佳工作拓扑

开关电源工程师和变频电源接触颇多,而且其可靠性也是非常高的,研发实验时的各种不可预计的负载状况都能适应。

出于好奇,最近拆解了好几台变频电源,研究研究。。。。

最后发现,变频电源的工作方式常见的就是三种:(那种直接市电整流H桥工频的山寨货除外)

1. 采用工频变压器工艺:前级PFC升压,后级H桥SPWM工频变压器隔离变流。

 优点:成本低,耐冲击。

 缺点:效率低,变频范围窄,无波形库,只能输出交流。

下面的这张图就是这种方工艺的:


2. 采用高频变压器工艺:前级PFC升压,再PWM隔离变压,后级H桥SPWM电感变流。

 优点:效率高,可输出直流,相位可预置,可并联,可阵列

 缺点:动态响应差,变频范围窄,高频输出失真大

 下面2张图都是采用这种工艺的:

 

 


3. 采用无变压器无电感工艺:PFC升压加PWM隔离变压供电,功率放大器直接放大输出。

 优点:失真极小,变频范围极宽,相位可预置,可并联,动态响应好,极广泛的波形库,可模拟各种失真源。

 缺点:成本高,效率低。

 下面的这张图就是采用这种工艺的:

 

我们目前常见的逆变器或变频电源都是采用前2种方式,第3种方式市面上见到的产品极少。

在实际应用中,到底是哪一种方式的变频电源/逆变器最好呢?

欢迎大家讨论交流,各抒己见。。。。。


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2014-04-15 17:08
欢迎大家发表言论
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狼牙月
LV.3
3
2014-04-15 18:21

采用无变压器无电感工艺:PFC升压加PWM隔离变压供电,功率放大器直接放大输出。

这个没有接触过,不知道这个变频范围能达到多少。

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javike
LV.12
4
2014-04-15 18:25
@狼牙月
采用无变压器无电感工艺:PFC升压加PWM隔离变压供电,功率放大器直接放大输出。这个没有接触过,不知道这个变频范围能达到多少。

理论上是可以上GHZ,比如做成射频功率放大器。

因为它根本不存在基波和载波的概念。

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zvszcs
LV.12
5
2014-04-15 19:16
@javike
理论上是可以上GHZ,比如做成射频功率放大器。因为它根本不存在基波和载波的概念。
你要是把他抄出来就NB啦
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javike
LV.12
6
2014-04-15 19:22
@zvszcs
你要是把他抄出来就NB啦

买这货时让老板送了一块驱动板,老化死活不愿意送功率板,

因为功率板一个500W的模组散热器两边的主功率管就有24个,说二手市场的价值都在1000+RMB,

1KVA的变频电源上用了2个模组,48个功率管,上面的图就是1KVA的。

4个变压器是单独的输出,

高压模式输出时全串,做正负400+V供电电源,

低压模式输出时2并2串,做正负200+V输出。

功率级工作在BTL和OCL切换

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javike
LV.12
7
2014-04-15 19:23
@zvszcs
你要是把他抄出来就NB啦
这货业余抄出来也很难抑制自激呀
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米老鼠
LV.8
8
2014-04-15 19:29
@javike
这货业余抄出来也很难抑制自激呀
就是太重太庞大
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zvszcs
LV.12
9
2014-04-15 19:43
@米老鼠
就是太重太庞大
好开个拆机板块了,也搞个交换板块
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IGBT2010
LV.8
10
2014-04-15 21:19
学习了!!
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廖远方
LV.9
11
2014-04-15 21:33
@zvszcs
好开个拆机板块了,也搞个交换板块
完全支持这个建议.100%支持
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javike
LV.12
12
2014-04-15 21:48
@廖远方
完全支持这个建议.100%支持[图片]
这个可以有,但是跑题了。。。
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wangshujun
LV.8
13
2014-04-16 08:41
第三种就是线性放大器,效率很凄惨的,其实追求效果的完全可以用音频功放配合信号源来做,要求效率的用d类5khz还是很轻松达到的,要求信号质量的用ab类估计30khz问题不大。这样的放大器并不难找的
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javike
LV.12
14
2014-04-16 12:32
@wangshujun
第三种就是线性放大器,效率很凄惨的,其实追求效果的完全可以用音频功放配合信号源来做,要求效率的用d类5khz还是很轻松达到的,要求信号质量的用ab类估计30khz问题不大。这样的放大器并不难找的

目前还只发现鬼子用这种方式做,不过这种方式的效果的确非常好。

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hnzkwz
LV.7
15
2014-04-16 13:12
@javike
目前还只发现鬼子用这种方式做,不过这种方式的效果的确非常好。
第三种原来就是个功放
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yueyunno1
LV.9
16
2014-04-16 16:36
@hnzkwz
第三种原来就是个功放[图片]
不错的帖子!
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javike
LV.12
17
2014-04-16 19:21
@hnzkwz
第三种原来就是个功放[图片]
就是个功放,但设计难度比普通的功放高多了
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yueyunno1
LV.9
18
2014-04-16 19:25
@javike
就是个功放,但设计难度比普通的功放高多了

不错,很牛的功放!

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wangshujun
LV.8
19
2014-04-17 09:00
@javike
就是个功放,但设计难度比普通的功放高多了

相比于hifi功放的要求不算高,只不过是高压输出,常规功放不会用这么高的电压输出而已,大功率的功放为了长距离传输配变压器的时候就能轻易做到的

不过这个一般带宽都能到50khz左右,用来做变频电源浪费了点,关键是平均效率大约只有30%,发热太大了

h桥逆变的做到300hz以上的带宽和特殊波形也是可行的,效率达到95%以上,性价比更好。

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javike
LV.12
20
2014-04-17 09:13
@wangshujun
相比于hifi功放的要求不算高,只不过是高压输出,常规功放不会用这么高的电压输出而已,大功率的功放为了长距离传输配变压器的时候就能轻易做到的不过这个一般带宽都能到50khz左右,用来做变频电源浪费了点,关键是平均效率大约只有30%,发热太大了h桥逆变的做到300hz以上的带宽和特殊波形也是可行的,效率达到95%以上,性价比更好。

这点我不认同。

按照功放的标准,都是标的峰值功率,而且功放在测试标准里也只是带很小的负载进行测试,连半载都不到,1000W的功放,实际按标准测试就200-300W。

而做变频电源,电压要正负400V以上,而且持续功率1000W,电路如果有一点自激就全炸了。

另外,普通的基波和载波50HZ和20K左右的,输出300HZ是波形失真得不能看,而且在低频40HZ一下,情况更糟糕,更别说0-1KHZ了

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wangshujun
LV.8
21
2014-04-17 09:30
@javike
这点我不认同。按照功放的标准,都是标的峰值功率,而且功放在测试标准里也只是带很小的负载进行测试,连半载都不到,1000W的功放,实际按标准测试就200-300W。而做变频电源,电压要正负400V以上,而且持续功率1000W,电路如果有一点自激就全炸了。另外,普通的基波和载波50HZ和20K左右的,输出300HZ是波形失真得不能看,而且在低频40HZ一下,情况更糟糕,更别说0-1KHZ了

做逆变方式的输出基波是载波的1/30就能得到说的过去的正弦,如果输出基波是载波的1/300那么大多数的常用波形都能出得来,载频高失真就小了。

功放那边的问题,kw级以上的一般不再虚标,但是连续工作能力一般受限制很多,主要是散热和供电方面,电功率本身一般都还扛得住。现在对于这个频段的失真和自激的处理不算难度。线性功放上百kw的都有。

虚标主要发生在民用场合,不过最近虚标除了山寨的也很少见到。

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javike
LV.12
22
2014-04-17 10:03
@wangshujun
做逆变方式的输出基波是载波的1/30就能得到说的过去的正弦,如果输出基波是载波的1/300那么大多数的常用波形都能出得来,载频高失真就小了。功放那边的问题,kw级以上的一般不再虚标,但是连续工作能力一般受限制很多,主要是散热和供电方面,电功率本身一般都还扛得住。现在对于这个频段的失真和自激的处理不算难度。线性功放上百kw的都有。虚标主要发生在民用场合,不过最近虚标除了山寨的也很少见到。

你了解一下功放的安全测试标准就知道了,上百KW级的实际测试也只是1/5左右负载进行测试。而电源是在100%负载测试。同时他们的测试指标也有着很大的区别。这不是虚标的问题。

做逆变方式的输出基波是载波的1/30就能得到说的过去的正弦”,我用EG8010测试过他的调频功能,载波23.4K不变的情况下,输出20HZ,那波形已经严重失真了,输出200HZ也严重失真了。当然,这并不是说所以的MCU都不能做到,但载波20K左右,输出20HZ的波形而不严重失真的变频电源也不多。

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wangshujun
LV.8
23
2014-04-17 10:35
@javike
你了解一下功放的安全测试标准就知道了,上百KW级的实际测试也只是1/5左右负载进行测试。而电源是在100%负载测试。同时他们的测试指标也有着很大的区别。这不是虚标的问题。“做逆变方式的输出基波是载波的1/30就能得到说的过去的正弦”,我用EG8010测试过他的调频功能,载波23.4K不变的情况下,输出20HZ,那波形已经严重失真了,输出200HZ也严重失真了。当然,这并不是说所以的MCU都不能做到,但载波20K左右,输出20HZ的波形而不严重失真的变频电源也不多。

d类功放大约载频都是300-500k的

8010的8位机运算受限制,另外他的ad也是和pwm也不强,要想做大范围调频的必须要更强的处理器才是,以前测试过用20k载频的时候低于100hz的基本都看不到明显的失真的,不过没有测试闭环的情况

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wangshujun
LV.8
24
2014-04-17 10:38
@javike
你了解一下功放的安全测试标准就知道了,上百KW级的实际测试也只是1/5左右负载进行测试。而电源是在100%负载测试。同时他们的测试指标也有着很大的区别。这不是虚标的问题。“做逆变方式的输出基波是载波的1/30就能得到说的过去的正弦”,我用EG8010测试过他的调频功能,载波23.4K不变的情况下,输出20HZ,那波形已经严重失真了,输出200HZ也严重失真了。当然,这并不是说所以的MCU都不能做到,但载波20K左右,输出20HZ的波形而不严重失真的变频电源也不多。
功放的功率测试要保证段时间能达到不失真功率,但是考虑到应用场合的输出特点,电源和散热器都不会做成满额度的,并不是功放电路达不到标称功率。
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javike
LV.12
25
2014-04-17 10:46
@wangshujun
d类功放大约载频都是300-500k的8010的8位机运算受限制,另外他的ad也是和pwm也不强,要想做大范围调频的必须要更强的处理器才是,以前测试过用20k载频的时候低于100hz的基本都看不到明显的失真的,不过没有测试闭环的情况

目前市面上大多数载波20K的变频电源,变频范围都是40-550Hz之间,高了不行还能理解,但低了也不行。很是郁闷。

一个不得不承认的事实,鬼子的变频电源做得还真不错,效果秒杀国产(包括台湾)的。

他们同样是用SPWM变频的,频率却可以从0其调,而且波形很漂亮,但上限也只是550HZ,

而且采样功放形式的变频电源,基本都是鬼子的,频率0-2KHZ的都有,0-1KHZ的很普遍。

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javike
LV.12
26
2014-04-17 10:49
@wangshujun
功放的功率测试要保证段时间能达到不失真功率,但是考虑到应用场合的输出特点,电源和散热器都不会做成满额度的,并不是功放电路达不到标称功率。
实验室多功放进行测试安全测试都只是带1/5左右的负载测试,证书的报告上却是按满功率标的,而且根据测试标准也的确是不需要满载测试。所以我一直认为市售普通的功放并不能持续输出标称的功率(DIY的除外)
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wangshujun
LV.8
27
2014-04-17 10:55
@javike
目前市面上大多数载波20K的变频电源,变频范围都是40-550Hz之间,高了不行还能理解,但低了也不行。很是郁闷。一个不得不承认的事实,鬼子的变频电源做得还真不错,效果秒杀国产(包括台湾)的。他们同样是用SPWM变频的,频率却可以从0其调,而且波形很漂亮,但上限也只是550HZ,而且采样功放形式的变频电源,基本都是鬼子的,频率0-2KHZ的都有,0-1KHZ的很普遍。
如果没有输出变压器,从0开始没什么难度,最大的改变就是反馈要做瞬时值反馈了,技术上没有太大的限制,spwm方式对于没有输出变压器的场合,高压高频率开关的损耗太大,载频不适合做的很高,因此上限频率也会受到很大的限制,如果载频是50k,500hz的时候每个周期是100个点,纯正弦看起来还不错,要加点其他的花样就不太好了,比如弄一个马鞍形状什么的。
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wangshujun
LV.8
28
2014-04-17 10:56
@javike
实验室多功放进行测试安全测试都只是带1/5左右的负载测试,证书的报告上却是按满功率标的,而且根据测试标准也的确是不需要满载测试。所以我一直认为市售普通的功放并不能持续输出标称的功率(DIY的除外)
完全同意,因为散热和电源都远远不够,从应用的角度来说也完全没有需求,但是可以确定的是满功率消耗掉主滤波里面的电能是不会有问题的
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javike
LV.12
29
2014-04-17 11:22
@wangshujun
如果没有输出变压器,从0开始没什么难度,最大的改变就是反馈要做瞬时值反馈了,技术上没有太大的限制,spwm方式对于没有输出变压器的场合,高压高频率开关的损耗太大,载频不适合做的很高,因此上限频率也会受到很大的限制,如果载频是50k,500hz的时候每个周期是100个点,纯正弦看起来还不错,要加点其他的花样就不太好了,比如弄一个马鞍形状什么的。

嗯,50K载波500HZ基波的波形应该还是不错的,但对于20K就很难看了,而且现在多数MCU固化程序的芯片都是为了满载IGBT而做成20K。

如果要输出1KHZ甚至2KHZ,SPWM的载波频率就得100K以上了,这种硬开关下的开关损耗非常可观,包括仪器有名的CHROMA也很少有1K-2K的变频电源产品。

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javike
LV.12
30
2014-04-17 11:23
@wangshujun
完全同意,因为散热和电源都远远不够,从应用的角度来说也完全没有需求,但是可以确定的是满功率消耗掉主滤波里面的电能是不会有问题的
那是电容瞬间放电输出的峰值功率,严格来说是瞬时功率
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wangshujun
LV.8
31
2014-04-17 11:35
@javike
那是电容瞬间放电输出的峰值功率,严格来说是瞬时功率

大功放里面的电容很大的,能支撑的时间是秒级的,对于高频电路来说基本上和连续已经差不多了

最难满足的其实是散热需求,太难了

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