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模拟有源滤波器的电路设计

作者:时间:2011-03-28来源:网络收藏

系统中的运算放大器选用高精度低漂移低噪声集成放大器OP07。该放大器的输入偏移电流为1nA、偏移电压为30μV、-3dB带宽为600kHz、静态耗散电流为4 mA、电压温度漂移为0.2μV/℃。
获得很高的带宽,也意味着会带来高的功耗。而且,在单相全有源电力滤波器使用高带宽的运算放大器也同时会引入高频噪声。单相全有源电力滤波器的信号频率不超过3 kHz。型号为OP07的运算放大器的截止频率为600kHz,故能很好地满足有源电力滤波器的要求。
运算放大器的误差主要由输入失调电压、输入失调电流以及等效输入噪声等引起。当前运算放大器的性能已经得到很大的改进,其各项性能指标十分优异。以高精度低漂移低噪声集成放大器OP07为例,其输入偏移电压为μV级,输入漂移电流和输入偏置电流为nA级,因此,对于±10V电路工作电压,完全可以忽略。
运算放大器电路的最终精度和稳定性与其电路中的无源元件的精度和稳定性具有对应的关系。本硬件选择好的电容和电阻关系到该电路的整体性能表现。
电容的类别也是多种多样。该滤波器电路中使用的电容主要是要求其频率特性较好,温度系数小,长期稳定性好。聚苯乙烯电容的损耗较低、体积小,容量相对时间、温度、电压都很稳定。
电阻有绕线电阻、金属箔电阻、金属膜电阻、金属氧化膜电阻、碳膜电阻、碳实芯电阻、厚膜电阻、薄膜电阻、金属釉质电阻等。常用的是碳膜、金属膜以及碳质线绕电阻。本电路选用金属膜电阻,该电阻是在真空中加热合金,并使合金蒸发,从而使瓷棒表面形成一层导电金属膜。刻槽和改变金属膜厚度可以控制电阻值。该电阻体积小、噪声低、稳定性好,当然成本也较高。

3 PWM控制电路
由于现在没有专门为有源电力滤波器而设计的脉冲发生集成电路,所以,现在的研究与设计主要是利用一些现有的脉冲发生模块来产生脉冲波,从而实现有源电力滤波器的控制。
美国通用公司的SG3525 PWM脉冲控制电路目前已经在很多领域得到了很好的应用。本文将它试用在有源电力滤波器中,并将其作为集成电路中比较有代表性的一种。SG3525是美国通用公司的产品,是专为开关电源设计的脉冲发生电路,它的输入电压范围是1~3.5 V,而本文中的输入信号是交流信号,故须经过变换。可先经过精确绝对值电路将输入信号变成正信号,再通过电平移动电路使输入信号在1~3.5 V之间。图3所示是采用SG3525实现的PWM电路框图。其中绝对值电路所采用的精密全波整流电路如图4所示。图4中,R取20kΩ,为1%精密电阻;二极管选用超快速恢复二极管,其反向恢复时间为50 ns。图5所示是本滤波器的逻辑控制电路实现框图。

本文引用地址:http://www.eepw.com.cn/article/191279.htm

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4 模拟有源电力滤波器的噪声和干扰抑制
模拟电子电路有其自身的特点,由于本有源电力滤波器使用的是全模拟电路,故在模拟信号的放大、运算以及传输过程中不可避免地会引入外界和内部的一些无规则信号及干扰。如果无规则信号及外部干扰很强,若其大小可与正常工作信号相比较,那么势必给模拟有源电力滤波器的谐波抑制性能造成破坏。所以,在模拟电路的设计阶段就应进行抗干扰和滤除噪声的设计。
噪声及干扰的消除和抑制一般有屏蔽、接地和滤波等几种措施。但也应该根据其产生的性质分别加以处理。
对于元器件本身所产生的噪声,只能在器件选型中加以注意。应尽量选用低噪声、高精度的集成芯片。现代的模拟电子已经发展的很成熟,各种模拟元件都能达到令人满意的性能。对于电阻的热噪声,设计中应尽量做到不将噪声在最后结果中放大,故应在放大电路中选用较小阻值的电阻。热噪声会随带宽的增加而增加,并由于有源电力滤波器所针对的电力系统本身的电压、电流频率不高,因此,模拟电路可采用较低频率带宽的运算放大器来降低热噪声的影响。
对于接地噪声,可减小公共地线部分的阻抗,这样,公共地线上的电压也会随之减小,从而控制公共阻抗耦合。具体做法是地线联结采用较粗的导线并尽量减短。减小地线阻抗的核心问题是减小地线的电感。可在电路中采用多条相距较远的并联导体作为接地线。
对于辐射噪声,则应该采用屏蔽方式予以抑制和消除。屏蔽的方式有静电屏蔽、磁性屏蔽及电磁屏蔽等方式。屏蔽的结构可以将干扰源或受干扰元件用屏蔽罩屏蔽起来。具体采用何种方式,取决于屏蔽的噪声对象。
本设计采用并联电容对电路的直流电源进行稳压和滤波,电容的特性是对直流开路,对高频呈现低阻抗特性。所以,采用加设旁路电容可对高频噪声旁路。本电路中采用电解电容和瓷石两种电容并联方式进行联接。这是因为电解电容的电容值可以做得比较大,采用电解电容主要还可起到稳压作用。但是,电解电容的高频特性差强人意,所以要对高频噪声旁路,故应再并联一个瓷片电容。
通过以上措施,模拟电路的噪声抑制情况会有较好的改善,其可检测到的噪声信号在mV级。

5 模拟的主电路及接入方式
目前应用的多种多样,但总的来说,其主电路都是基于脉冲调制(PWM)变流器的,由于变流器有电压型变流器(VSC)和电流型变流器(CSR)两种。两种变流器都可以应用于各种有源电力滤波器中。电压型PWM整流器最显著的拓扑特征就是直流侧采用电容进行直流储能,从而使VSR直流侧呈低阻抗的电压源特征;电流型PWM整流器的拓扑结构的最显著特征就是直流侧采用电感进行直流储能,从而使CSR直流侧呈高阻抗的电流源特性。
电流源型结构更容易跟踪补偿负荷的谐波电流。但电流源型式的主电路损耗较大,在交流侧需要加装更大的滤波电容来滤除不需要的谐波电流,且电流源型结构不利于多重化。因而限制了有源电力滤波器的容量。而电压源型有源电力滤波器具有结构简单、质量轻、损耗小、价格便宜,可降低开关器件的开关频率等优点,因而一直在有源电力滤波器中得到广泛应用。基于此,本文采用电压型变流器作为基于全模拟器件的的逆变器。
构成变流器的核心是开关器件有MOSFET管、绝缘门极双极型晶体管(IGBT)、门极可关断晶闸管(GTO)、集成门极晶闸管IGCT等几种可供选择。选择器件的首要条件是根据有源电力滤波器所需滤除谐波频率来确定器件的开关频率,然后根据有源电力滤波器的容量与电压、电流等级来选择合适的器件。对于高频小容量的有源电力滤波器,一般可选用MOSFET器件,因其开关频率很高,因而适用于滤除高频率的谐波。而对于大容量低频率的场合,则应选择GTO/IGCT器件。但在有源滤波器中应用最广泛的还是IGBT,这是因为IGBT驱动简单,其开关频率和容量适中。



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