降壓型PWM_AC-DC開(kāi)關(guān)電源設計

1.引 言

1.1開(kāi)關(guān)電源的概念

開(kāi)關(guān)電源(Switch Mode Power Supply，SMPS)是以功率半導體器件為開(kāi)關(guān)元件，利用現代電力電子技術(shù)，控制開(kāi)關(guān)管開(kāi)通和關(guān)斷的時(shí)間比率，維持穩定輸出電壓的一種電源。開(kāi)關(guān)電源和線(xiàn)性電源相比，二者的成本都隨著(zhù)輸出功率的增加而增長(cháng)，但二者增長(cháng)速率各異。線(xiàn)性電源成本在某一輸出功率點(diǎn)上，反而高于開(kāi)關(guān)電源，這一點(diǎn)稱(chēng)為成本反轉點(diǎn)。開(kāi)關(guān)電源高頻化是其發(fā)展的方向，高頻化使開(kāi)關(guān)電源小型化，并使開(kāi)關(guān)電源進(jìn)入更廣泛的應用領(lǐng)域，特別是在高新技術(shù)領(lǐng)域的應用，推動(dòng)了高新技術(shù)產(chǎn)品的小型化、輕便化。另外開(kāi)關(guān)電源的發(fā)展與應用在節約能源、節約資源及保護環(huán)境方面都具有重要的意義。

開(kāi)關(guān)電源中應用的電力電子器件主要為二極管、IGBT和MOSFET。一般由脈沖寬度調制(PWM)控制IC和MOSFET構成。開(kāi)關(guān)電源電路主要由整流濾波電路、DC-DC控制器(內含變壓器)、開(kāi)關(guān)占空比控制器以及取樣比較電路等模塊組成。

1.1.1 PWM技術(shù)簡(jiǎn)介[1]

脈沖寬度調制(PWM)，是英文“Pulse Width Modulation”的縮寫(xiě)，簡(jiǎn)稱(chēng)脈寬調制，脈沖寬度調制是一種模擬控制方式，其根據相應載荷的變化來(lái)調制晶體管柵極或基極的偏置，來(lái)實(shí)現開(kāi)關(guān)穩壓電源輸出晶體管或晶體管導通時(shí)間的改變，這種方式能使電源的輸出電壓在工作條件變化時(shí)保持恒定，是利用微處理器的數字輸出來(lái)對模擬電路進(jìn)行控制的一種非常有效的技術(shù)。廣泛應用在從測量、通信到功率控制與變換的許多領(lǐng)域中。

脈沖寬度調制(PWM)基于采樣控制理論中的一個(gè)重要結論，即沖量相等而形狀不同的窄脈沖加在具有慣性的環(huán)節上時(shí)，其效果基本相同。在控制時(shí)對半導體開(kāi)關(guān)器件的導通和關(guān)斷進(jìn)行控制,使輸出端得到一系列幅值相等而寬度不相等的脈沖,用這些脈沖來(lái)代替正弦波或其他所需要的波形.按一定的規則對各脈沖的寬度進(jìn)行調制,既可改變逆變電路輸出電壓的大小,也可改變輸出頻率.PWM運用于開(kāi)關(guān)電源控制時(shí)首先保持主電路開(kāi)關(guān)元件的恒定工作周期(T=ton+toff)，再由輸出信號與基準信號的差值來(lái)控制閉環(huán)反饋，以調節導通時(shí)間ton，最終控制輸出電壓(或電流)的穩定。

PWM的一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是從處理器到被控系統信號都是數字形式的，無(wú)需進(jìn)行數模轉換。讓信號保持為數字形式可將噪聲影響降到最小。噪聲只有在強到足以將邏輯1改變?yōu)檫壿?或將邏輯0改變?yōu)檫壿?時(shí)，也才能對數字信號產(chǎn)生影響。

對噪聲抵抗能力的增強是PWM相對于模擬控制的另外一個(gè)優(yōu)點(diǎn)，而且這也是在某些時(shí)候將PWM用于通信的主要原因。從模擬信號轉向PWM可以極大地延長(cháng)通信距離。在接收端，通過(guò)適當的RC或LC網(wǎng)絡(luò )可以濾除調制高頻方波并將信號還原為模擬形式。

1.1.2 降壓型DC-DC開(kāi)關(guān)電源原理簡(jiǎn)介[2]

將一種直流電壓變換成另一種固定的或可調的直流電壓的過(guò)程稱(chēng)為DC-DC交換完成這一變幻的電路稱(chēng)為DC-DC轉換器。根據輸入電路與輸出電路的關(guān)系，DC-DC 轉換器可分為非隔離式DC-DC轉換器和隔離式DC-DC轉換器。降壓型DC-DC 開(kāi)關(guān)電源屬于非隔離式的。

降壓型DC-DC轉換器主電路圖如下：

其中，功率IGBT為開(kāi)關(guān)調整元件，它的導通與關(guān)斷由控制電路決定;L和C為濾波元件。驅動(dòng)VT導通時(shí)，負載電壓Uo=Uin，負載電流Io按指數上升;控制VT關(guān)斷時(shí)，二極管VD可保持輸出電流連續，所以通常稱(chēng)為續流二極管。負載電流經(jīng)二極管VD續流，負載電壓Uo近似為零，負載電流呈指數曲線(xiàn)下降。為了使負載電流連續且脈動(dòng)小，通常串聯(lián)L值較大的電感。至一個(gè)周期T結束，在驅動(dòng)VT導通，重復上一周期過(guò)程。當電路工作于穩態(tài)時(shí)，負載電流在一個(gè)周期的初值和終值相等。負載電壓的平均值為

式中，ton為VT處于導通的時(shí)間，toff為VT處于關(guān)斷的時(shí)間;T為開(kāi)關(guān)管控制信號的周期，即ton+toff;α為開(kāi)關(guān)管導通時(shí)間與控制信號周期之比，通常稱(chēng)為控制信號的占空比。從該式可以看出，，占空比最大為1，若減小占空比，該電路輸出電壓總是低于輸入電壓，因此將其稱(chēng)為降壓型DC-DC轉換器。負載電流的平均值為

若負載中電感值較小，則在VT管斷后，負載電流會(huì )在一個(gè)周期內衰減為零，出現負載電流斷續的情況。因此有降壓DC-DC開(kāi)關(guān)電源有非連續電流模式(DCM)和連續電流模式(CCM)兩種工作模式。波形圖如下所示：