一臺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:軍事或航空用); 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。
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, 就可能會發(fā)生短路情形。甚至有時候會將電壓源串聯(lián)使用, 若沒有輸出隔離的裝置, 則會發(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, 這是早期最常用的架構(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, 最后用變壓器轉(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。
圖：３
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, 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, 最簡單的是使用橋式二極管來整流。但因沒有主動功率因數(shù)校正, 或只在傳輸線上用電感或電容做被動式校正, 會產(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, 整流出的電壓會隨輸入電壓而變動, 若設(shè)計(jì)不良, 甚至?xí)绊懙捷敵鲭妷�。所以A/D power stage設(shè)計(jì)上最好應(yīng)采用有主動式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)動線路控制做push-pull動作輸出電壓。電壓反饋經(jīng)控制器補(bǔ)償后, 再去改變驅(qū)動訊號。因?yàn)榫w管做輸出級,會有零交越點(diǎn)失真的問題,需要在驅(qū)動線路上做補(bǔ)償。高頻輸出時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)動線路設(shè)計(jì)不易,常會先產(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。
