PWM交流斬控技術(shù)的交流穩(wěn)壓電源總體設(shè)計

1、 PWM交流斬控技術(shù)的交流穩(wěn)壓電源總體設(shè)計1 PWM交流斬控技術(shù)概述1.1 PWM控制的基本原理PWM (Pulse Width Modulation)控制就是脈寬調(diào)制技術(shù)：即通過對一系列脈沖的寬度進(jìn)行調(diào)制，來等效的獲得所需要的波形（含形狀和幅值）。PWM控制技術(shù)以面積等效原理為基礎(chǔ)。PWM控制電路把直流電壓“斬”成一系列脈沖，改變脈沖的占空比來獲得所需的輸出電壓，改變脈沖的占空比就是對脈沖寬度進(jìn)行調(diào)制，只是因為輸入電壓和所需要的輸出電壓都是直流電壓，因此脈沖既是等幅的，也是等寬的，僅僅是對脈沖的占空比進(jìn)行控制，著是PWM控制中最簡單的一種情況1.2 PWM交流斬控調(diào)壓原理圖1-1圖1-1（a

2、）所示，假定電路中各部分都是理想狀態(tài)。開關(guān)S1為斬波開關(guān)，S2為考慮負(fù)載電感續(xù)流的開關(guān)，二者均為全控開關(guān)器件與二極管串聯(lián)組成的單相開關(guān)見圖1-1（b）。S1及S2不允許同時導(dǎo)通，通常二者在開關(guān)時序上互補(bǔ)。定義輸入電源電壓u的周期T與開關(guān)周期Ts之比為電路工作載波比Kc，（Kc=T/Ts）。圖1-1（c）表示主電路在穩(wěn)態(tài)運(yùn)行時的輸出電壓波形。顯然輸出電壓uo為： (1)式中：E（t）為開關(guān)函數(shù)，其波形示于圖1-1（c），函數(shù)由式（2）定義。 (2)在圖1-1（a）電路條件下，則 (3)E（t）函數(shù)經(jīng)傅立葉級數(shù)展開，可得 (4)式中：D=ton1/Ts，s=2/Ts，n=n/Ts；D為S1的占空比

3、；ton1為一個開關(guān)周期中S1的導(dǎo)通時間。將式（4）代入式（3）可得： (5)式（5）表明，uo含有基波及各次諧波。諧波頻率在開關(guān)頻率及其整數(shù)倍兩側(cè)處分布，開關(guān)頻率越高，諧波與基波距離越遠(yuǎn)，越容易濾掉。在經(jīng)LC濾波后，則有： (6)把輸出電壓基波幅值與輸入電壓基波幅值之比定義為調(diào)壓電壓增益，即： (7)由此可見電壓增益等于占空比D，因此改變占空比就可以達(dá)到調(diào)壓的目的。2 控制方案設(shè)計與工作原理一般情況下，PWM交流斬控調(diào)壓器的控制方式與主電路模型、電路結(jié)構(gòu)及相數(shù)有關(guān)。若采用互補(bǔ)控制，斬波開關(guān)和續(xù)流開關(guān)在換流過程中會出現(xiàn)短路，產(chǎn)生瞬時沖擊電流；如設(shè)置換相死區(qū)時間，又可能造成換相死區(qū)時間內(nèi)二個開關(guān)

4、都不導(dǎo)通使負(fù)載開路，在有電感存在的情況下，會產(chǎn)生瞬時電壓沖擊。本方案采用有電壓、電流相位檢測的非互補(bǔ)控制方式，如圖2-1所示。對相數(shù)而言本方案采用三相四線制，即用三個單相電路，組合成三相電源，這樣可以避免相間干擾，保持各相電壓輸出穩(wěn)定。圖2-1由圖2-2可見，V1，VD1與V2，VD2構(gòu)成雙向斬波開關(guān)，Vf1，VDf2與Vf2，VDf1構(gòu)成雙向續(xù)流開關(guān)；Lof及Cof分別為濾波電感、電容；U1為補(bǔ)償變壓器初級繞組兩端電壓，U2為向主電路補(bǔ)償?shù)碾妷?。本方案采用了有電壓、電流相位檢測的非互補(bǔ)控制方式。圖2-2為在RL負(fù)載下，這種非互補(bǔ)的斬波開關(guān)和續(xù)流開關(guān)門極驅(qū)動信號的時序配合及一個電源周期中輸出電

5、壓的理想波形。由圖2-2可見根據(jù)負(fù)載電壓電流相位，一個電源工作周期可分為4個區(qū)間.上述工作狀態(tài)，可用邏輯表達(dá)式表示為： （8）當(dāng)U0時，U=1；當(dāng)U0和0時，=1，=1；當(dāng)0和Ur時須進(jìn)行負(fù)補(bǔ)償，使UsUco=UL=Ur；當(dāng)UsUr時須進(jìn)行正補(bǔ)償，使UsUco=UL=Ur，所以UL=USUco=Ur （9）正補(bǔ)償時取正號，負(fù)補(bǔ)償時取負(fù)號。假定補(bǔ)償變壓器Tr的變比為：1，橋式斬波器的輸出電壓基波為Uab1=DUmsint則 Uco=(Uab1/) （10）將式（10）代入式（18）得UL=US(1/)Uab1 （11）橋式斬波器的基波輸出電壓Uab1=DUL （12）將式（14）代入式（11）得

6、UL=US(D/)UL （13）或Ur=UL(D/)UL=US，UL(1D/)=USUL=(Us)/(1D/) （14）正補(bǔ)償時取正號，負(fù)補(bǔ)償時取負(fù)號。當(dāng)占空比D=1時，最大正、負(fù)補(bǔ)償電壓由式（10）得Uco,max=(UL/)（因為此時Uab1=DUL=UL）。當(dāng)市電電壓的波動范圍為15時，最大補(bǔ)償電壓Uco,max=0.15UL=(UL/) （15）由于補(bǔ)償變壓器Tr初次級匝比為 =1/0.15=6.667 （16）而補(bǔ)償變壓器次級電流，即市電輸入電流Is =P/Us （17）式中：P為市電輸入功率。補(bǔ)償變壓器初級電流，即橋式斬波器輸出電流Ich=Is/ （18）即橋式斬波器的斬波開關(guān)管的

7、額定電流，只有市電輸入電流IS的1/。因而補(bǔ)償功率Pco=Uab1Ich=DUL(Is/)=(DPUL)/Us （19）當(dāng)US=UL時，D=0，補(bǔ)償功率Pco,min=0；當(dāng)Us,min=(10.15)UL=0.85UL時，D=1，則補(bǔ)償功率： （20）u與uc相對極性變換的控制如圖4-2所示。其輸出UQ接雙向晶閘管的過零觸發(fā)電路。采樣信號取自Uo經(jīng)整流濾波后的輸出。電位器Rp用于調(diào)節(jié)輸入信號的門檻電壓，其傳輸特性如圖3-2（b）所示。圖3-24設(shè)計結(jié)論P(yáng)WM交流斬控技術(shù)用于交流穩(wěn)壓，顯著地提高了交流穩(wěn)壓電源的技術(shù)性能，其主要特點是：1） 可采用全固態(tài)器件，真正做到了無觸點、無抽頭，因而可靠性

8、高、工作壽命長；2）平滑調(diào)節(jié)，輸出無級差，對電網(wǎng)及用戶無沖擊，不產(chǎn)生低頻次諧波干擾；3）輸出精度高，實際精度可達(dá)到0.5，即便在正補(bǔ)償與負(fù)補(bǔ)償變換瞬間，輸出電壓波動也不超過額定電壓的1；4）動態(tài)響應(yīng)速度快，可達(dá)ms級；5）負(fù)載無選擇性，對感性負(fù)載、阻性負(fù)載、容性負(fù)載都適用；6）每相只需一臺變壓器，因而重量輕，自身功耗少。參考文獻(xiàn)1 脈寬調(diào)制DC/DC全橋變換器的軟開關(guān)技術(shù)，阮新波，嚴(yán)仰光，科學(xué)出版社，1999年9月，北京2 軟開關(guān)功率變換器及其應(yīng)用，王聰，科學(xué)出版社， 2000年1月，北京 3 Novel Zero-voltage and Zero-Current-Switching Full-Bridge