模擬有源濾波器的電路設(shè)計(jì)
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系統(tǒng)中的運(yùn)算放大器選用高精度低漂移低噪聲集成放大器OP07。該放大器的輸入偏移電流為1nA、偏移電壓為30μV、-3dB帶寬為600kHz、靜態(tài)耗散電流為4 mA、電壓溫度漂移為0．2μV／℃。
獲得很高的帶寬，也意味著會(huì)帶來高的功耗。而且，在單相全模擬有源電力濾波器使用高帶寬的運(yùn)算放大器也同時(shí)會(huì)引入高頻噪聲。單相全模擬有源電力濾波器的信號(hào)頻率不超過3 kHz。型號(hào)為OP07的運(yùn)算放大器的截止頻率為600kHz，故能很好地滿足有源電力濾波器的要求。
運(yùn)算放大器的誤差主要由輸入失調(diào)電壓、輸入失調(diào)電流以及等效輸入噪聲等引起。當(dāng)前運(yùn)算放大器的性能已經(jīng)得到很大的改進(jìn)，其各項(xiàng)性能指標(biāo)十分優(yōu)異。以高精度低漂移低噪聲集成放大器OP07為例，其輸入偏移電壓為μV級(jí)，輸入漂移電流和輸入偏置電流為nA級(jí)，因此，對(duì)于±10V電路工作電壓，完全可以忽略。
運(yùn)算放大器電路的最終精度和穩(wěn)定性與其電路中的無源元件的精度和穩(wěn)定性具有對(duì)應(yīng)的關(guān)系。本硬件選擇好的電容和電阻關(guān)系到該電路的整體性能表現(xiàn)。
電容的類別也是多種多樣。該濾波器電路中使用的電容主要是要求其頻率特性較好，溫度系數(shù)小，長(zhǎng)期穩(wěn)定性好。聚苯乙烯電容的損耗較低、體積小，容量相對(duì)時(shí)間、溫度、電壓都很穩(wěn)定。
電阻有繞線電阻、金屬箔電阻、金屬膜電阻、金屬氧化膜電阻、碳膜電阻、碳實(shí)芯電阻、厚膜電阻、薄膜電阻、金屬釉質(zhì)電阻等。常用的是碳膜、金屬膜以及碳質(zhì)線繞電阻。本電路選用金屬膜電阻，該電阻是在真空中加熱合金，并使合金蒸發(fā)，從而使瓷棒表面形成一層導(dǎo)電金屬膜?？滩酆透淖兘饘倌ず穸瓤梢钥刂齐娮柚?。該電阻體積小、噪聲低、穩(wěn)定性好，當(dāng)然成本也較高。
3 PWM控制電路
由于現(xiàn)在沒有專門為有源電力濾波器而設(shè)計(jì)的脈沖發(fā)生集成電路，所以，現(xiàn)在的研究與設(shè)計(jì)主要是利用一些現(xiàn)有的脈沖發(fā)生模塊來產(chǎn)生脈沖波，從而實(shí)現(xiàn)有源電力濾波器的控制。
美國(guó)通用公司的SG3525 PWM脈沖控制電路目前已經(jīng)在很多領(lǐng)域得到了很好的應(yīng)用。本文將它試用在有源電力濾波器中，并將其作為模擬集成電路中比較有代表性的一種。SG3525是美國(guó)通用公司的產(chǎn)品，是專為開關(guān)電源設(shè)計(jì)的脈沖發(fā)生電路，它的輸入電壓范圍是1～3．5 V，而本文中的輸入信號(hào)是交流信號(hào)，故須經(jīng)過變換?？上冉?jīng)過精確絕對(duì)值電路將輸入信號(hào)變成正信號(hào)，再通過電平移動(dòng)電路使輸入信號(hào)在1～3．5 V之間。圖3所示是采用SG3525實(shí)現(xiàn)的PWM電路框圖。其中絕對(duì)值電路所采用的精密全波整流電路如圖4所示。圖4中，R取20kΩ，為1％精密電阻；二極管選用超快速恢復(fù)二極管，其反向恢復(fù)時(shí)間為50 ns。圖5所示是本濾波器的邏輯控制電路實(shí)現(xiàn)框圖。本文引用地址：http://2s4d.com/article/191279.htm
4 模擬有源電力濾波器的噪聲和干擾抑制
模擬電子電路有其自身的特點(diǎn)，由于本有源電力濾波器使用的是全模擬電路，故在模擬信號(hào)的放大、運(yùn)算以及傳輸過程中不可避免地會(huì)引入外界和內(nèi)部的一些無規(guī)則信號(hào)及干擾。如果無規(guī)則信號(hào)及外部干擾很強(qiáng)，若其大小可與正常工作信號(hào)相比較，那么勢(shì)必給模擬有源電力濾波器的諧波抑制性能造成破壞。所以，在模擬電路的設(shè)計(jì)階段就應(yīng)進(jìn)行抗干擾和濾除噪聲的設(shè)計(jì)。
噪聲及干擾的消除和抑制一般有屏蔽、接地和濾波等幾種措施。但也應(yīng)該根據(jù)其產(chǎn)生的性質(zhì)分別加以處理。
對(duì)于元器件本身所產(chǎn)生的噪聲，只能在器件選型中加以注意。應(yīng)盡量選用低噪聲、高精度的集成芯片?，F(xiàn)代的模擬電子已經(jīng)發(fā)展的很成熟，各種模擬元件都能達(dá)到令人滿意的性能。對(duì)于電阻的熱噪聲，設(shè)計(jì)中應(yīng)盡量做到不將噪聲在最后結(jié)果中放大，故應(yīng)在放大電路中選用較小阻值的電阻。熱噪聲會(huì)隨帶寬的增加而增加，并由于有源電力濾波器所針對(duì)的電力系統(tǒng)本身的電壓、電流頻率不高，因此，模擬電路可采用較低頻率帶寬的運(yùn)算放大器來降低熱噪聲的影響。
對(duì)于接地噪聲，可減小公共地線部分的阻抗，這樣，公共地線上的電壓也會(huì)隨之減小，從而控制公共阻抗耦合。具體做法是地線聯(lián)結(jié)采用較粗的導(dǎo)線并盡量減短。減小地線阻抗的核心問題是減小地線的電感。可在電路中采用多條相距較遠(yuǎn)的并聯(lián)導(dǎo)體作為接地線。
對(duì)于輻射噪聲，則應(yīng)該采用屏蔽方式予以抑制和消除。屏蔽的方式有靜電屏蔽、磁性屏蔽及電磁屏蔽等方式。屏蔽的結(jié)構(gòu)可以將干擾源或受干擾元件用屏蔽罩屏蔽起來。具體采用何種方式，取決于屏蔽的噪聲對(duì)象。
本設(shè)計(jì)采用并聯(lián)電容對(duì)電路的直流電源進(jìn)行穩(wěn)壓和濾波，電容的特性是對(duì)直流開路，對(duì)高頻呈現(xiàn)低阻抗特性。所以，采用加設(shè)旁路電容可對(duì)高頻噪聲旁路。本電路中采用電解電容和瓷石兩種電容并聯(lián)方式進(jìn)行聯(lián)接。這是因?yàn)殡娊怆娙莸碾娙葜悼梢宰龅帽容^大，采用電解電容主要還可起到穩(wěn)壓作用。但是，電解電容的高頻特性差強(qiáng)人意，所以要對(duì)高頻噪聲旁路，故應(yīng)再并聯(lián)一個(gè)瓷片電容。
通過以上措施，模擬電路的噪聲抑制情況會(huì)有較好的改善，其可檢測(cè)到的噪聲信號(hào)在mV級(jí)。
5 模擬有源濾波器的主電路及接入方式
目前應(yīng)用的有源濾波器多種多樣，但總的來說，其主電路都是基于脈沖調(diào)制(PWM)變流器的，由于變流器有電壓型變流器(VSC)和電流型變流器(CSR)兩種。兩種變流器都可以應(yīng)用于各種有源電力濾波器中。電壓型PWM整流器最顯著的拓?fù)涮卣骶褪侵绷鱾?cè)采用電容進(jìn)行直流儲(chǔ)能，從而使VSR直流側(cè)呈低阻抗的電壓源特征；電流型PWM整流器的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的最顯著特征就是直流側(cè)采用電感進(jìn)行直流儲(chǔ)能，從而使CSR直流側(cè)呈高阻抗的電流源特性。
電流源型結(jié)構(gòu)更容易跟蹤補(bǔ)償負(fù)荷的諧波電流。但電流源型式的主電路損耗較大，在交流側(cè)需要加裝更大的濾波電容來濾除不需要的諧波電流，且電流源型結(jié)構(gòu)不利于多重化。因而限制了有源電力濾波器的容量。而電壓源型有源電力濾波器具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、質(zhì)量輕、損耗小、價(jià)格便宜，可降低開關(guān)器件的開關(guān)頻率等優(yōu)點(diǎn)，因而一直在有源電力濾波器中得到廣泛應(yīng)用?；诖?，本文采用電壓型變流器作為基于全模擬器件的有源濾波器的逆變器。
構(gòu)成變流器的核心是開關(guān)器件有MOSFET管、絕緣門極雙極型晶體管(IGBT)、門極可關(guān)斷晶閘管(GTO)、集成門極晶閘管IGCT等幾種可供選擇。選擇器件的首要條件是根據(jù)有源電力濾波器所需濾除諧波頻率來確定器件的開關(guān)頻率，然后根據(jù)有源電力濾波器的容量與電壓、電流等級(jí)來選擇合適的器件。對(duì)于高頻小容量的有源電力濾波器，一般可選用MOSFET器件，因其開關(guān)頻率很高，因而適用于濾除高頻率的諧波。而對(duì)于大容量低頻率的場(chǎng)合，則應(yīng)選擇GTO／IGCT器件。但在有源濾波器中應(yīng)用最廣泛的還是IGBT，這是因?yàn)镮GBT驅(qū)動(dòng)簡(jiǎn)單，其開關(guān)頻率和容量適中。
評(píng)論