一種電壓可調(diào)高頻高壓電源設(shè)計(jì)

1、摘要摘要根據(jù)設(shè)計(jì)要求本文設(shè)計(jì)了一個高頻高壓電源系統(tǒng)。首先設(shè)計(jì)了高頻高壓電源的主電路，并對主電路中的各個功能模塊（BUCK，半橋逆變，CW倍壓電路）進(jìn)行了原理分析和仿真研究，同時(shí)對及相應(yīng)的參數(shù)進(jìn)行計(jì)算和設(shè)計(jì)，對其性能做了優(yōu)化。同時(shí)重點(diǎn)研究了電源系統(tǒng)的可實(shí)現(xiàn)性，及一些關(guān)鍵的實(shí)現(xiàn)技術(shù)。設(shè)計(jì)采用了常規(guī)的PI調(diào)節(jié)的高壓電源的控制系統(tǒng)，使輸出的紋波達(dá)到所規(guī)定的要求。設(shè)計(jì)了相應(yīng)的實(shí)現(xiàn)電路。最后本文對所選的控制芯片SG3525，IR2110及光電隔離芯片HCNR201做了原理分析和設(shè)計(jì)。設(shè)計(jì)的同時(shí)還對該系統(tǒng)進(jìn)行了全面的Pspice仿真。仿真結(jié)果表明該設(shè)計(jì)中的主電路可以滿足要求，各部分電路均工作在安全穩(wěn)定的范圍

2、內(nèi)，控制電路可以達(dá)到精確調(diào)節(jié)輸出電壓幅值并起到了一定的抑制諧波的作用。關(guān)鍵詞：高頻；高壓；開關(guān)電源；SG3525； I 燕山大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）AbstractAccording to the design requirements for the high voltage power supply system. First, we make the design of main circuit of high voltage power supply. And make analysis and simulation studies the main circuit of each

3、function module (BUCK, half-bridge converter CW, as the principle of voltage circuit), and take calculationing of corresponding parameters and designing,so the power supply work better.And studied stressly the power supply system , and some realizability key technology. The design of the high voltag

4、e power supply take the conventional PI adjust controlling means. Output ripple to meet the specified requirements. We take the design of corresponding implementing circuit. Finally we make principle analysising and designing of the control chips selected SG3525 ,IR2110and photoelectric isolation HC

5、NR201. The design of this system are also discussed comprehensively the Pspice simulation. The study showed that the design of main circuit can satisfy the requirements, each part is working safety and stability of the circuit and control circuit of the range can achieve precise adjustment output vo

6、ltage amplitude and played a certain role to restrain the harmonics.Keywords high frequency ; high voltage ; switch power supply ; SG3525 ; I 目 錄摘要IAbstractII第1章 緒論11.1課題背景11.1.1高頻高壓電源的國內(nèi)外現(xiàn)狀和發(fā)展21.1.2課題的意義41.1.3本文的研究內(nèi)容和研究方法4第2章 高頻高壓電源主電路各模塊工作原理分析62.1高頻高壓電源主電路總體方案的設(shè)計(jì)62.2主電路各模塊原理分析及設(shè)計(jì)62.2.1整流及濾波電路分析設(shè)計(jì)6

7、2.2.2Buck斬波電路工作原理分析及設(shè)計(jì)92.2.3半橋逆變電路的工作原理分析及設(shè)計(jì)122.2.4變壓器的設(shè)計(jì)142.2.5CW倍壓電路工作原理分析及設(shè)計(jì)172.3系統(tǒng)主電路開環(huán)仿真192.4本章小結(jié)20第3章 高頻高壓電源控制電路的設(shè)計(jì)223.1Buck電路的模型建立223.2控制電路設(shè)計(jì)243.2.1控制信號PWM波的發(fā)生243.2.2采樣的電壓的選取263.2.3比例積分環(huán)節(jié)的設(shè)計(jì)263.2.4控制電路293.3閉環(huán)系統(tǒng)的仿真293.4閉環(huán)系統(tǒng)的抗干擾性能343.5本章小結(jié)36第4章 驅(qū)動電路及芯片的設(shè)計(jì)374.1SG3525的設(shè)計(jì)374.1.1SG3525功能簡介374.1.2SG

8、3525參數(shù)設(shè)計(jì)384.2驅(qū)動芯片IR2110的設(shè)計(jì)394.3光電耦合隔離的設(shè)計(jì)424.4本章小結(jié)43結(jié)論44參考文獻(xiàn)45III第1章 緒論第1章 緒論1.1課題背景高頻高壓電源是相對于工頻高壓電源和中頻高壓電源而言的。高頻高壓電源是一種高壓開關(guān)電源，其開關(guān)頻率大約在50kHz左右，中頻在2kHz左右，工頻為50/60Hz，高頻高壓電源由于頻率高，變壓器可以做得很小。高頻高壓電源的優(yōu)點(diǎn)是：體積小，精度高，動態(tài)響應(yīng)快，技術(shù)含量高，隨著原材料價(jià)格的飛漲和技術(shù)發(fā)展，高頻高壓電源在價(jià)格上越來越具優(yōu)勢。實(shí)際上工頻高壓電源在發(fā)達(dá)國家已經(jīng)淘汰。而現(xiàn)在的各式各樣的電器產(chǎn)品中所需的電源標(biāo)準(zhǔn)不一，需要對市電進(jìn)行進(jìn)

9、一步的變換改善才能使用。在這些電器中高壓直流電源有著很廣泛的應(yīng)用。為提高電源質(zhì)量電源變換一般采用高頻開關(guān)電源轉(zhuǎn)換器，這樣不僅可以減小電源的體積而且可以提高電能的轉(zhuǎn)換效率。隨著電子技術(shù)的不斷發(fā)展和元器件工藝水平的提高，國內(nèi)外電源市場也越來越繁榮。國內(nèi)開關(guān)電源(SPS)市場前景廣闊，各種逆變器、UPS以及500V以下的中低壓電源占主體，而輸出電壓在10005000V的高壓電源很少，限制了其應(yīng)用和發(fā)展。然而高頻高壓直流電源有著廣泛的應(yīng)用。高頻高壓電源廣泛地應(yīng)用于高壓電氣設(shè)備的直流耐壓和泄漏試驗(yàn)，工業(yè)中通過放電用于環(huán)保的靜電除塵、污水處理、激光器等；醫(yī)學(xué)方面用于X光機(jī)、CT等大型設(shè)備；科研上用于高能物

10、理、等離子體物理；軍事上雷達(dá)發(fā)射器、脈沖點(diǎn)火技術(shù)等?；诟黝愖匀粚W(xué)科的發(fā)展，在更多的領(lǐng)域?qū)﹄娔苡辛烁犹厥獾囊蟆Ｈ欢趪鴥?nèi)的用電粗放，電源仍以工頻電為主，由于工頻電的種種缺點(diǎn)導(dǎo)致了現(xiàn)代工業(yè)很大的浪費(fèi)。雖然已有部分先進(jìn)企業(yè)已開始采用高頻電源但在國內(nèi)仍有很大的發(fā)展空間。而與此同時(shí)國外都有了比較先進(jìn)的研究成果，高頻高壓電源的異軍突起，使得其在X射線管，中子發(fā)生器，低臭氧發(fā)生器，及高壓激光電源等方面有了很大的進(jìn)展。在高頻電源設(shè)計(jì)中電路拓?fù)渖铣霈F(xiàn)了CW倍壓電路，在電力電子器件上出現(xiàn)了一系列的品質(zhì)優(yōu)良的產(chǎn)品，推動了整個電源行業(yè)的發(fā)展。在控制上出現(xiàn)了DSP控制的連續(xù)可調(diào)技術(shù)，使得電源技術(shù)與現(xiàn)代計(jì)算機(jī)成果結(jié)

11、合了起來，可達(dá)到更加理想的要求。高壓除塵也是這一領(lǐng)域的研究成果，國外在近十年已經(jīng)開始高效節(jié)能中高頻電除塵器的研制，上世紀(jì)九十年代末，國外瑞典ALSTOM等公司已經(jīng)將高頻開關(guān)電源（20-50kHZ）用電除塵器，取代目前國內(nèi)仍在使用的工頻電源（50HZ），丹麥?zhǔn)访芩构镜拿}沖激能電除塵器也成功用于水泥廠廢氣和立磨廢氣的交貨處理。與工頻電源相比，高頻開關(guān)電源體積小，重量輕，電損耗小。在產(chǎn)品量產(chǎn)化后，最終可以使其成本低于常規(guī)電源。最重要的是在處理高比電阻粉塵，提高電除塵效率等方面比常規(guī)電源性能更優(yōu)越。總之在高壓電源方面國內(nèi)外都有著快速的發(fā)展，而且這個速度還將持續(xù)的進(jìn)行下去。開關(guān)高頻化是一個必然趨勢，高

12、頻可以使開關(guān)電源小型化，使得電源擁有更小的體積，提高了其適應(yīng)性。另外高頻還意味著節(jié)能，節(jié)約資源，在電源的小體積化過程中，就可以節(jié)約更多的金屬資源。而且可以實(shí)現(xiàn)許多常規(guī)電源無法達(dá)到的電流脈沖指標(biāo)。電源工作時(shí)由于其工作原理的獨(dú)特設(shè)計(jì)可以實(shí)現(xiàn)較高的功率因數(shù)以達(dá)到低能耗，有利于節(jié)約電能。隨著各類電器的不斷推出對電源有了更加苛刻的要求，但對電源的方向更加明確了，就是高頻、高可靠、低耗、低噪聲、抗干擾和模塊化。雖然高頻高壓電源有如此多的優(yōu)點(diǎn)，但其成本高限制了其發(fā)展空間，特別是在國內(nèi)，由于國內(nèi)的需求量還沒有達(dá)到可以批量生產(chǎn)的條件，因而造價(jià)仍然較高，急需在電路拓?fù)渖献飨鄳?yīng)的研究以達(dá)到降低成本，節(jié)約能源的目的。

13、因此本課題的研究具有非常大的實(shí)用價(jià)值和研究意義。1.1.1高頻高壓電源的國內(nèi)外現(xiàn)狀和發(fā)展 在國外，從70年代開始，日本的一些公司開始采用開關(guān)電源技術(shù)，將市電整流后逆變?yōu)?kHz左右的中頻，然后升壓；美國GE公司生產(chǎn)的AMx移動式X光機(jī)把蓄電池供給的直流電逆變成500Hz的中頻方波送入高壓發(fā)生器，從而減小體積和重量。進(jìn)入80年代，高壓開關(guān)電源技術(shù)迅速發(fā)展，德國西門子公司采用功率晶體管做主開關(guān)元件，將電源的開關(guān)頻率提高至20kHz以上；并將干式變壓器技術(shù)成功地應(yīng)用于高頻高壓電源，取消了高壓變壓器油箱，使變壓器系統(tǒng)的體積進(jìn)一步減小。近十年來，隨著電力電子技術(shù)的進(jìn)步和開關(guān)器件的發(fā)展，高壓開關(guān)電源技術(shù)不

14、斷發(fā)展。突出的表現(xiàn)是頻率在不斷提高：如Philips公司30kW以下移動式X光機(jī)的X射線發(fā)生裝置頻率達(dá)30kHz以上，德國的霍夫曼公司高壓發(fā)生器頻率高達(dá)40kHz，98年以后通用電氣公司和瓦里安公司都研制成功100kHz的x線機(jī)發(fā)生器。另外，高壓開關(guān)電源的功率也在不斷地提高，30kW的大功率高壓開關(guān)電源技術(shù)在產(chǎn)品應(yīng)用中已相當(dāng)成熟，更高功率的高壓開關(guān)電源也有很快的發(fā)展，如：用于雷達(dá)發(fā)射機(jī)的140kW高壓開關(guān)電源(俄羅斯)；用于脈沖功率技術(shù)中的300kW大功率恒流充電電源等。中頻電源技術(shù)的發(fā)展和電力電子器件、微處理器、控制理論等學(xué)科的發(fā)展緊密聯(lián)系在一起。電力電子器件和控制技術(shù)的發(fā)展使得更高頻成為可

15、能，出現(xiàn)了各種軟開關(guān)電源。微電子集成技術(shù)的發(fā)展為電力電子控制技術(shù)提供了新的思路，由最初的分立元件發(fā)展到集成電路、大規(guī)模集成電路再到后來的微處理器的出現(xiàn)，都為高頻電源的控制技術(shù)帶來了極大的便利。近年來，電力電子器件的研究和制造水平取得了突飛猛進(jìn)的發(fā)展，出現(xiàn)了許多新型的電力電子器件和線路，電力電子器件正朝著場控化、高集成化、大容量化、高頻化的方向發(fā)展。近年來，TI、MOTOROLA、ADI等公司相繼推出了適用于開關(guān)電源使用的單片機(jī)或DSP芯片，且功能越來越完善，性能也越來越優(yōu)越。1955年美國羅耶(GHRoger)發(fā)明的自激振蕩推挽晶體管單變壓器直流變換器，是實(shí)現(xiàn)高頻轉(zhuǎn)換控制電路的開端，1957年

16、美國查賽(JenSen)發(fā)明了自激式推挽雙變壓器，1964年美國科學(xué)家們提出取消工頻變壓器的串聯(lián)開關(guān)電源的設(shè)想，這對電源向體積和重量的下降獲得了一條根本的途徑。到了1969年由于大功率硅晶體管的耐壓提高，二極管反向恢復(fù)時(shí)間的縮短等元器件改善，終于做成了25千赫的開關(guān)電源。目前，開關(guān)電源以小型、輕量和高效率的特點(diǎn)被廣泛應(yīng)用于以電子計(jì)算機(jī)為主導(dǎo)的各種終端設(shè)備、通信設(shè)備等幾乎所有的電子設(shè)備，是當(dāng)今電子信息產(chǎn)業(yè)飛速發(fā)展不可缺少的一種電源方式。開關(guān)電源的發(fā)展方向是高頻、高可靠、低耗、低噪聲、抗干擾和模塊化。由于開關(guān)電源輕、小、薄的關(guān)鍵技術(shù)是高頻化，因此國外各大開關(guān)電源制造商都致力于同步開發(fā)新型高智能化的

17、元器件，特別是改善二次整流器件的損耗，并在功率鐵氧體(MnZn)材料上加大科技創(chuàng)新，以提高在高頻率和較大磁通密度(Bs)下獲得高的磁性能，而電容器的小型化也是一項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)。SMT技術(shù)的應(yīng)用使得開關(guān)電源取得了長足的進(jìn)展，在電路板兩面布置元器件，以確保開關(guān)電源的輕、小、薄。開關(guān)電源的高頻化就必然對傳統(tǒng)的PWM開關(guān)技術(shù)進(jìn)行創(chuàng)新，實(shí)現(xiàn)ZVS、ZCS的軟開關(guān)技術(shù)己成為開關(guān)電源的主流技術(shù)，并大幅提高了開關(guān)電源工作效率。對于高可靠性指標(biāo)，美國的開關(guān)電源生產(chǎn)商通過降低運(yùn)行電流，降低結(jié)溫等措施以減少器件的應(yīng)力，使得產(chǎn)品的的可靠性大大提高。模塊化是開關(guān)電源發(fā)展的總體趨勢，可以采用模塊化電源組成分布式電源系統(tǒng)，可以

18、設(shè)計(jì)成N+1冗余電源系統(tǒng)，并實(shí)現(xiàn)并聯(lián)方式的容量擴(kuò)展。針對開關(guān)電源運(yùn)行噪聲大這一缺點(diǎn)，若單獨(dú)追求高頻化其噪聲也必將隨著增大，而采用部分諧振轉(zhuǎn)換電路技術(shù)，在理論上即可實(shí)現(xiàn)高頻化又可降低噪聲，但部分諧振轉(zhuǎn)換技術(shù)的實(shí)際應(yīng)用仍存在著技術(shù)問題，故仍需在這一領(lǐng)域開展大量的工作，以使得該項(xiàng)技術(shù)得以實(shí)用化。1.1.2課題的意義研究和開發(fā)高頻高壓開關(guān)電源，特別是成本較低的開關(guān)電源具有很強(qiáng)的實(shí)用意義，不但豐富了現(xiàn)在市場上開關(guān)電源的品種，而且符合節(jié)約能源，可持續(xù)發(fā)展的理念，對緩解現(xiàn)在正在面臨的能源危機(jī)具有一定的積極作用。同時(shí)這個理念與科技發(fā)展勢頭也是未來能源經(jīng)濟(jì)的潛在能量，具有很大的商機(jī)。1.1.3本文的研究內(nèi)容和研

19、究方法本文針對高頻高壓電源的實(shí)現(xiàn)為基礎(chǔ)，以實(shí)現(xiàn)輸出電壓可調(diào)為目的對高頻高壓電源的主電路及控制電路進(jìn)行了設(shè)計(jì)，使之輸出穩(wěn)定符合要求，調(diào)節(jié)方便快捷。并設(shè)計(jì)了簡單的保護(hù)電路，初步保障了系統(tǒng)及設(shè)備的安全。對于高壓電源不同電壓值的需要，本課題研究將給出一個連續(xù)可調(diào)的高壓電路的電路拓?fù)洌赃m應(yīng)高壓電源的不同應(yīng)用場合的不同需要。本文還將對調(diào)節(jié)界面進(jìn)行一定的設(shè)計(jì)及監(jiān)控，以達(dá)到良好的調(diào)節(jié)目的和簡單快捷的調(diào)節(jié)方式。由于在高電壓時(shí)須用倍壓電路來實(shí)現(xiàn)，所以將對倍壓電路中將要產(chǎn)生的現(xiàn)象和問題進(jìn)行解決，并盡可能提高電源高壓時(shí)的帶載能力。由于電源主要工作在高壓場合所以將對此時(shí)的電路安全及用電安全進(jìn)行一定的設(shè)計(jì)。由于高壓的特

20、殊實(shí)現(xiàn)方法，對其產(chǎn)生的紋波問題將給予著重的研究和闡述，此外，對于負(fù)載變化時(shí)的電壓穩(wěn)定問題及穩(wěn)壓的實(shí)現(xiàn)也將著重分析研究。本文的研究方法：在本文中選通過對高頻高壓電源的基本工作原理進(jìn)行一定的分析，同時(shí)結(jié)合論文要求設(shè)計(jì)出符合要求的主電路，然后通過PSpice仿真軟件對系統(tǒng)進(jìn)性能仿真分析。并通過所得的波形對理論計(jì)算數(shù)據(jù)進(jìn)行一定的校正，并設(shè)計(jì)出濾波，整流，保護(hù)等控制部分的電路。5 第2章 高頻高壓電源主電路各模塊工作原理分析第2章 高頻高壓電源主電路各模塊工作原理分析2.1高頻高壓電源主電路總體方案的設(shè)計(jì) 由于該設(shè)計(jì)系統(tǒng)輸入為220V交流，輸出為10-15kV大范圍可調(diào)直流，并且對輸出紋波做出了一定的要

21、求，不難得出中間需設(shè)置高頻環(huán)節(jié)，只有高頻才能使輸出達(dá)到理想的紋波要求。于是在系統(tǒng)中設(shè)置了DC-DC斬波電路，考慮到輸出為小功率高壓直流電壓，所以前級的DC-DC變換功率亦不是很大，為使其中電感電流連續(xù)固采用了降壓DC-DC變換電路（Buck變換器）。直流斬波前級為整流電路，此處選用單相橋式整流電路。后一級的升壓環(huán)節(jié)不能采用直流升壓（如單純選用Boost升壓電路，則占空比非常大，使得輸出紋波很大，且過高的電壓使得普通的開關(guān)難以承受），需逆變成交流矩形脈沖后再進(jìn)行倍壓升壓。逆變選用半橋逆變電路，其與倍壓電路之間還需設(shè)置變壓器，一方面可以達(dá)到隔離目的，另一方面可以通過改變原副線圈的匝數(shù)比來調(diào)整輸出電

22、壓值。經(jīng)簡單分析可得出主電路的初步拓?fù)?。電路框圖如圖2-1所示。圖2-1 主電路基本框圖2.2主電路各模塊原理分析及設(shè)計(jì)2.2.1整流及濾波電路分析設(shè)計(jì)由于前一級的整流濾波環(huán)節(jié)采用的全橋整流電路結(jié)構(gòu)比較簡單，所以在這里對全橋整流電路就不多做介紹了。這里著重分析一下其濾波電路，為了獲得更小的紋波，所以在該部分的輸出也應(yīng)該具有更小的紋波系數(shù)。這里本設(shè)計(jì)采用了形濾波電路。在介紹形濾波電路之前需要我們熟悉一下以下兩種濾波電路，一圖2-2形濾波電路個是我們非常熟悉的并聯(lián)電容濾波電路，另一個則是串聯(lián)電感濾波電路。在熟悉這兩種電路時(shí)我們用一種近似的計(jì)算方法，可以把輸出紋波電壓看成理想的鋸齒波形。1) 并聯(lián)電

23、容濾波電路的紋波系數(shù)和輸出電壓設(shè)輸出紋波電壓峰值為，紋波峰-峰值為，交流電源頻率為，放電時(shí)間常數(shù)，其中為負(fù)載電阻。則有以下幾個公式：（2-1）（2-2）（2-3）理想的鋸齒波有效值：（2-4）因此可以得出全橋整流并聯(lián)電容濾波的輸出紋波公式為：（2-5）直流輸出電壓為：（2-6）2) 串聯(lián)電感濾波電路串聯(lián)電感濾波電路由電感L和電容C組成，其工作原理與并聯(lián)電容濾波電路有所不同。根據(jù)電感電容方面的知識可知，電感所呈現(xiàn)的阻抗隨著頻率的增加而變大，電容的阻抗與其恰好相反隨著頻率的增加而降低，此時(shí)串聯(lián)電感濾波電路中的電感和電容構(gòu)成了一個分壓器。輸出電壓就是電容上的電壓。由于電感器對直流沒有阻礙作用，電容器

24、對直流信號具有無窮大阻抗，因此直流分量將不受影響地完全送到輸出端，而對脈動直流中的各次諧波分量，電感器的和電容器將呈現(xiàn)不同的阻抗。固可得到串聯(lián)電感濾波電路的輸出直流電壓公式1：（2-7）其中為電感器直流電阻。（2-8）紋波公式為：分析了以上兩種濾波電路以后便可以得出形濾波電路的輸出電壓和紋波公式：（2-9）（2-10）雖然由公式得出電感越大輸出的紋波會越小，但在本系統(tǒng)中電感太大會嚴(yán)重影響系統(tǒng)的調(diào)節(jié)時(shí)間，結(jié)合Pspice仿真得出了各器件的參數(shù)。圖2-3 濾波電路仿真波形；此時(shí)紋波如圖2-3約為：2.2.2Buck斬波電路工作原理分析及設(shè)計(jì)如圖2-4所示為Buck型斬波電路，它由一個開關(guān)管S，二極

25、管D，電感L，電容C和一個負(fù)載電阻R組成。Buck斬波電路工作時(shí)，開關(guān)S周期性的通斷，對輸入的電壓進(jìn)行斬波，由于二極管兩端便得到了一個方波電壓，經(jīng)串聯(lián)電感濾波后其輸出端便可得到一個平穩(wěn)的直流輸出電壓了。為方便分析這里設(shè)定開關(guān)管的占空比為，二極管的占空比為，電感電流連續(xù)時(shí)，（由于電感電流斷續(xù)時(shí)輸出電壓紋波較大，固在這里不再多加考慮）。圖2-4 Buck型變換器Buck電路工作過程分析：當(dāng)開關(guān)管S閉全時(shí)，輸入電壓加在二極管D上，此時(shí)二極管上正下負(fù)處于截止?fàn)顟B(tài)。電感器L在外加電壓的激勵下電流上升，電感電流一部分為電容器C進(jìn)行充電，同時(shí)另一部分為負(fù)載提供電流。隨著電容的充電過程輸出電壓隨之增加。當(dāng)開關(guān)

26、管S斷開時(shí)，由于電感的激勵源由原來的變?yōu)楝F(xiàn)在的，電感電流在負(fù)激勵電壓的作用開始減小。但此時(shí)電感電流產(chǎn)不能改變方向，所以電感產(chǎn)生了左負(fù)右正的感應(yīng)電壓。此電壓克服電容器電壓的那一部分將加在二極管上，使得二極管正偏導(dǎo)通。此時(shí)負(fù)載電流由電容的放電電流和電感電流共同提供。由于電容的放電作用輸出電壓開始下降。當(dāng)開關(guān)管S再次閉全時(shí)將重復(fù)上述過程1。Buck斬波電路從一開始工作到穩(wěn)定工作有一個動態(tài)變化過程，對于該過程這里就不多做解釋了，只給出此過程的特點(diǎn)：隨著輸出電壓的不斷升高，電感電流的增量將不斷變小，電容的充電電流由開始的始終大于零變?yōu)闀r(shí)正時(shí)負(fù)，而總的趨勢是輸出電壓不斷的提高。Buck斬波電路穩(wěn)定工作時(shí)電

27、容的充，放電電流在一個周期內(nèi)的平均值為零，輸出電壓的平均值保持不變，輸出電壓存在因電容充，放電形成的脈動成分。Buck斬波電路工作在電感電流連續(xù)時(shí)輸出電壓符合下式：（2-11）由于紋波在負(fù)載上的產(chǎn)生的電流變化很小，所以電感電流的波動值就是濾波電容的充，放電電流值，其波動分量將導(dǎo)致電容電壓的波動形成輸出電壓的紋波，由此可以得出電容電壓的波動量可以計(jì)算如下：（2-12）式中為電感電流脈動量。電感電流的增量的計(jì)算式為：（2-13）由式（2-12）和式（2-13）可以得出：（2-14）采用紋波的修正定義可以得出以下紋波計(jì)算式：（2-15）由臨界電感的定義知道，當(dāng)時(shí)電路處于臨界狀態(tài)，由此可以得出臨界電感

28、值為：（2-16）為了便于計(jì)算電感參數(shù)采用電感電流相對波動情況來計(jì)算（2-17）越小說明電感電流波動越小，輸出的電壓紋波就越小。這樣便得到了在指定電感電流相對波動情況下的輸入電感的計(jì)算公式：（2-18）可見如果想使電感電流波動小就必須采用在的電感值。同時(shí)還可以得出輸出紋波系數(shù)與電感電流相對波動情況的關(guān)系：（2-19）圖2-6 Buck電路電感電流波形圖2-5 時(shí)仿真波形由此公式可知，當(dāng)電感電流波動較小且輸出紋波電壓較小時(shí)所需的濾波電容器的取值將變大。這里取，占空比D在之間變化，負(fù)載約為700，工作頻率為40KHz?？梢杂?jì)算出輸入電感，令，則可得出濾波電容取值為。如圖2-5所示為占空比為時(shí)所得的

29、仿真波形，其滿足設(shè)計(jì)要求。此時(shí)電感電流如圖2-6所示，可以看出電流是連續(xù)的，且相對波動值符合要求。Buck電路工作狀態(tài)良好。2.2.3半橋逆變電路的工作原理分析及設(shè)計(jì)半橋逆變及變壓器電路如圖2-6所示，半橋逆變電壓由兩個橋臂組成，第個橋臂由一個開關(guān)管和一個反并聯(lián)的續(xù)流二極管組成。在直流一側(cè)設(shè)置了兩個相互串聯(lián)的電容，于是兩個電容的聯(lián)結(jié)點(diǎn)便相當(dāng)于直流電源的中點(diǎn)，其電路輸出為以此點(diǎn)電位為中心的矩形波電壓。來看一下半橋逆變電路的工作原理：開關(guān)管，的控制信號在一個周期內(nèi)均有半周期為正半周期為負(fù)，且兩個控制信號是互補(bǔ)的。當(dāng)開關(guān)管導(dǎo)通而管關(guān)斷時(shí)，電容器-變壓圖2-7半橋逆變電路及變壓器電路圖器原邊線圈-開關(guān)

30、管構(gòu)成了一個回路，此時(shí)變壓器原邊線圈承受上負(fù)下正的電壓，其電壓幅值為電容的電壓，變壓器原邊電流增加，電能通過變壓器耦合到負(fù)載側(cè)。當(dāng)開關(guān)管關(guān)斷而管導(dǎo)通時(shí)，開始的一個瞬間由于變壓器線圈的感性作用電流并不能立刻改變方向。但由于管已經(jīng)關(guān)斷，所以電流將通過續(xù)流二極管進(jìn)行續(xù)流，此時(shí)二極管-電容-變壓器原邊構(gòu)成一個回路，變壓器副邊將電能反饋回直流側(cè)，由于此時(shí)開關(guān)管已經(jīng)導(dǎo)通，所以電流在負(fù)的電壓作用下減小。當(dāng)電流減小到零即截止后電流回路為：直流電源-電容-變壓器原邊-開關(guān)管。 此時(shí)變壓器原邊線圈上的電壓為上正下負(fù)，其幅值為電容的電壓值但方向和上半個周期相反。開關(guān)管再次開通而截止時(shí)，電流開始通過續(xù)流，其余重復(fù)上一

31、過程，至此電路穩(wěn)定工作重復(fù)以上過程13。逆變電路中電容的作用：當(dāng)續(xù)流二極管或?qū)〞r(shí)，負(fù)載電流和電壓方向相反，電感中貯藏的能量向直流側(cè)反饋，即將電感中的無功能量反饋回直流側(cè)，此能量便暫時(shí)儲存在直流側(cè)電容器中，所以直流側(cè)電容器起著緩沖無功能量的作用。半橋逆變電路的特點(diǎn)：半橋逆變電路拓?fù)浜唵?，所使用的器件少，開關(guān)管只用了兩個。但也有其缺點(diǎn)：由于采用了兩個電容器的分壓作用故輸出電壓僅為直流輸入電壓的一半，而且兩電容串聯(lián)，不加輔助電路的情況下不可避免的會出現(xiàn)電容電壓不均衡，導(dǎo)致輸出的交流電壓正負(fù)幅值不等。由于設(shè)計(jì)系統(tǒng)中電源的輸出功率很小，所以為克服上述缺點(diǎn)在本文中采可用串接均衡電阻的方法來對電容分壓不均

32、衡來予以校正。電路如圖2-7所示。此處取均衡電阻。圖2-8 帶均衡電阻的逆變電路在實(shí)際工作的逆變電路中，由于開關(guān)管并不是理想的器件在給定負(fù)信號時(shí)就能立刻判斷，這樣在一個開關(guān)管還未完全關(guān)斷，但另一個已經(jīng)導(dǎo)通，產(chǎn)生這樣的情況后果是很嚴(yán)重的，因此需要避免兩個橋臂同時(shí)導(dǎo)通這一情況。兩開關(guān)管直通將會產(chǎn)生很大的電流，開關(guān)管很容易燒毀。為解決這一問題需要在給定一個開關(guān)管開通信號和另一個開關(guān)管關(guān)斷信號之間設(shè)置一個時(shí)間間隔（死區(qū)時(shí)間）。在此處采用的逆變頻率為40kHz，即一個周期為。設(shè)置觸發(fā)脈沖寬度為，死區(qū)時(shí)間為。分壓電容的取值設(shè)計(jì)：設(shè)逆變后一級的負(fù)載為電阻負(fù)載，電容器的選取應(yīng)滿足，這里取，由于。于是電圖2-9

33、 逆變電路輸出波形 容器計(jì)算值為 ，這里本設(shè)計(jì)中取。圖2-10 開關(guān)管,的觸發(fā)信號2.2.4變壓器的設(shè)計(jì)變壓器是一種實(shí)現(xiàn)電能變換并從一個電路傳輸?shù)搅硪粋€電路的靜止電磁元件，高頻變壓器的設(shè)計(jì)方法與電力變壓器相仿，其區(qū)別在于高頻變壓器與半導(dǎo)體開關(guān)器件相連接，工作頻率很高，變換的信號一般為方波信號，所以變壓器的優(yōu)劣不但會影響到變換器的性能指標(biāo)，而且會影響電路工作的可靠性。所以在設(shè)計(jì)時(shí)需要對諸如瞬態(tài)飽和、鐵芯損耗等問題。高頻高壓變壓器的特點(diǎn)主要是有渦流效應(yīng)?，F(xiàn)在對變壓器的問題進(jìn)行一定的分析9。1渦流效應(yīng)渦流效應(yīng)是由電流在導(dǎo)線中產(chǎn)生的集膚效應(yīng)和鄰近效應(yīng)的總和，是高頻變壓器的產(chǎn)生損耗的主要部分。當(dāng)導(dǎo)體通過

34、交流電流時(shí)，由交流產(chǎn)生的磁場而引起的電流趨向表面的電流再分布，內(nèi)部電流刻度小于外部，從而使導(dǎo)線的有效面積減小電阻增大。這種現(xiàn)象與頻率有很大的關(guān)系。2高頻鐵損我們知道變壓器工作時(shí)，磁感應(yīng)強(qiáng)度B沿磁滯回線到之間交替磁化，如圖2-11所示，磁滯損耗與磁滯回線包圍的面積和工作頻率有關(guān)。變壓器工作在高頻時(shí)，鐵心被反復(fù)磁化，若鐵芯材料的磁滯回線包圍的面積過大，鐵損將非常的大，從而使變壓器的溫度升高，影響正常工作。因此在選用鐵芯上，不能用正常的變壓器鐵芯。圖2-11 磁滯回線圖在介紹以上兩個變壓器的主要問題以后，我們來看一下高壓器磁芯材料的選用。變壓器的功率容量和工作頻率取決于磁性材料的性能。在變壓器設(shè)計(jì)時(shí)

35、，宏觀指標(biāo)是效率和體積，效率主要由鐵損耗決定，鐵損耗分為磁滯損耗和渦流損耗。根據(jù)文獻(xiàn)可有如下公式：（2-20）由上面分析可以知道：高磁導(dǎo)率、小矯頑力則磁滯損耗小。作為變壓器鐵芯材料，高頻工作時(shí)，鐵氧體和微晶非晶的鐵損比硅鋼的小很多。變壓器的體積取決于鐵芯的截面積S，而截面積S的大小由變壓器功率容量和鐵芯磁通密度決定，硅鋼和微晶非晶的飽和磁感應(yīng)強(qiáng)度Bs最大，而鐵氧體相對較小，但是鐵氧體的電阻率是最大的，因此鐵氧體的渦流損耗是最小的，也就是說它有非常小的高頻損耗。此外，鐵芯最大工作磁通密度至關(guān)重要應(yīng)該使鐵芯的磁通密度小于飽和磁通。這個公式還告訴我們變壓越是工作在較高的頻率其功耗就會更大12。下面是

36、變壓器參數(shù)的計(jì)算1） 鐵芯面積鐵芯的幾何面積S，鐵芯窗口面積Q及功率存在著以下的函數(shù)關(guān)系：式中；為半個周期T內(nèi)的導(dǎo)通時(shí)間；為效率，一般為左右；為鐵的填充系數(shù)，一般取為，對于鐵氧體，它主要與鐵芯疊片或帶料厚度有關(guān)；為窗口系數(shù)，與導(dǎo)線線徑及繞制水平有關(guān)，一般在左右；現(xiàn)取，j為電流密度，考慮到集膚效應(yīng)的因素，應(yīng)盡可能的增大表面積，故電流密度應(yīng)較小，現(xiàn)取。（2-21）根據(jù)以上各節(jié)選取占空比為，工作頻率為半橋逆變電路的逆變頻率，則（由于頻率越高開關(guān)管的周期就會越小，這樣開關(guān)管的開通時(shí)間就會變小，這樣有助于減少變壓器的原副邊的線圈匝數(shù)，但同時(shí)要考慮上述的損耗，因而頻率的提高是建立在較好的磁性物質(zhì)的選擇上的

37、）。考慮到輸出會有一定的損耗和輸出時(shí)采樣電阻的能耗選取。其中，。計(jì)算得根據(jù)這參數(shù)可選取磁芯。初級繞組匝數(shù)的計(jì)算：式中為電網(wǎng)電壓經(jīng)濾波后的電壓值為。2.2.5CW倍壓電路工作原理分析及設(shè)計(jì)在現(xiàn)在許多儀器設(shè)備中都需要較高的電壓，然而傳統(tǒng)變壓器的升壓能力有限，而且一般的整流器件的耐壓都較低，很難滿足要求。CW倍壓整流電圖2-12 CW倍壓電路路的實(shí)質(zhì)是電荷泵。最初是由于核技術(shù)的發(fā)展需要更高的電壓來模擬人工核反應(yīng)，于是1932年由Coccroft和Walton提出了高壓倍壓電路。倍壓電路主要是由多個電容和二極管組成的，是基于電容的儲能作用而形成的倍壓整流電路。按照輸出電壓是輸入電壓的倍數(shù)可以分為二倍壓

38、，三倍壓及多倍壓。通常稱第兩倍為一階。下面先簡單介紹一下倍壓電路的工作原理，以三階倍壓為例，圖2-12所示為三階倍壓電路8。圖2-13 變壓器次級線圈上正下負(fù)時(shí)當(dāng)然這只是一種比較簡單的CW倍壓電路， 該電路中的電容除了與變壓器直接相連的電壓幅值為交流電源幅值U外，其它電容的是電壓均為2U，可以選用耐壓值為2U的電容即可。同時(shí)可以看出輸出電壓是下臂三個電容串聯(lián)得到的。正是由于這個原因，所以其輸出電壓的紋波比較大。也有幾種電路拓?fù)淇梢赃_(dá)到較小的紋波，但部分電路的輸出是取自最后一級電容的電壓，所以對后一級的電容的耐壓值要求比較高。另一部分電路是采用了并聯(lián)的方法來減小紋波電壓的，這樣就使得電路拓?fù)渲须?/p>

39、容，二極管等器件個數(shù)較多，結(jié)構(gòu)非常復(fù)雜。下面介紹一下倍壓電路的工作原理：以圖2-12所示CW倍壓電路為例，當(dāng)變壓器次級線圈輸出電壓為上正下負(fù)時(shí)，電路中電流如圖2-13所示，此時(shí)為倍壓電路的上臂電容充電。電容電壓為左正右負(fù)8。當(dāng)變壓器次級線圈輸出電壓為上負(fù)下正時(shí)，電路中的電流如圖2-14所示，此時(shí)為倍壓電路下臂電容充電，電容電壓也為左正右負(fù)。輸出電壓取自下臂三個串聯(lián)電壓的電壓之和。此時(shí)輸出電壓為負(fù)電壓，如果要求輸出電壓為正，可以將所有的二極管反向連接即可。圖2-14 變壓器次級線圈上負(fù)下正時(shí)電路穩(wěn)定工作時(shí)，除了第一個電容電壓值為變壓器次級的輸出電壓U外，其它幾個電容電壓均為2U。簡單分析倍壓電路

40、以后我們發(fā)現(xiàn)：倍壓電路是一個非常大的慣性環(huán)節(jié)，其需要一個比較長的時(shí)間來為后級電容充電。但是對負(fù)載放電時(shí)其慣性又是很小，是幾個電容串聯(lián)的結(jié)果，在電容值一定的前提下,輸出電壓很容易下降，而且隨著倍壓階數(shù)的增加這種前級充電的慣性以及后一級對負(fù)載放電時(shí)的電壓降落又是明顯。實(shí)際器件中如此高的電容一般為陶瓷電容，這種電容器電容值不容易做大，所以當(dāng)負(fù)載較大或?qū)敵黾y波有較高要求的時(shí)候不應(yīng)該選用太高的倍壓階數(shù)。在這里選用6倍壓整流倍壓電路，即上述中的三階倍壓電路4。整流倍壓電路中電容的取值，根據(jù)文獻(xiàn)所提供的整流輸出壓降公式：（2-22）當(dāng)輸出電壓紋波系數(shù)，輸出電壓在變化時(shí)最大的電壓波動值為150V，負(fù)載電流這

41、里取，這里倍壓階數(shù)交流輸入頻率為，于是有下式：圖2-15 CW倍壓電路模塊仿真波形（2-10）于是可計(jì)算出電容的理論數(shù)值為：，由于實(shí)際電路中要求輸出功率為15w，所以輸出電流并不到，所以整流電容取就足夠了。如圖2-13所示為該倍壓電路在2500V矩形波交流輸入，負(fù)載電阻為時(shí)的仿真波形圖。2.3系統(tǒng)主電路開環(huán)仿真根據(jù)以上各節(jié)的分析設(shè)計(jì)主電路的各個模塊均均已得出較滿意的輸出。接下來是對主電路的開環(huán)仿真。主電路的開環(huán)原理圖見附錄1，下面是對主電路進(jìn)行開環(huán)仿真所得的波形。由仿真波形圖可知系統(tǒng)的輸出電壓波動值約為100V此時(shí)的輸出電壓為15KV，紋波，輸出紋波滿足設(shè)計(jì)要求，同時(shí)還可以看出此時(shí)系統(tǒng)的輸出功

42、率為43W，所以當(dāng)系統(tǒng)應(yīng)用于輸出為15W的場合時(shí)肯定能夠滿足要求。通過該波形還可以看出此時(shí)的紋波主要來自交流側(cè)的電壓波動，雖然有濾波電路的濾波作用但仍是開環(huán)系統(tǒng)的主要紋波來源。圖2-16 主電路開環(huán)仿真波形圖電路的其他各項(xiàng)參數(shù)波形幾乎與各模塊相同，在后面的閉環(huán)系統(tǒng)中還要提到，現(xiàn)在就不再一一列舉了。2.4本章小結(jié)在這一章里主要對主電路進(jìn)行了一定的設(shè)計(jì)和參數(shù)的計(jì)算，確定了電路的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，也通過模塊性的仿真對濾波電路進(jìn)行了篩選?，F(xiàn)對本章工作做如下小結(jié)：1) 濾波電路的選取，這里本文采用了形濾波電路，并將其與其它電路進(jìn)行了比較?？梢缘弥涫且环N濾波效果較好的電路相對較簡潔的濾波形式。并對其參數(shù)進(jìn)行了計(jì)

43、算。2) Buck電路的分析及設(shè)計(jì)：通過對Buck電路中臨界電感，輸出紋波系數(shù)等值的推導(dǎo)得出了該電路部分的一系列參數(shù)。電感中電流的連續(xù)與否將很大程度上決定了此環(huán)節(jié)中輸出電壓的紋波。3) 半橋逆變電路的設(shè)計(jì)：在該部分中主要是對半橋逆變電路進(jìn)行了一定的分析，然后針對其容易出現(xiàn)的實(shí)際情況添加了平衡電阻。對兩個開關(guān)管控制信號的死區(qū)設(shè)置也極其重要，這里也給予了詳細(xì)的設(shè)置。4) 變壓器的設(shè)計(jì)：這里本文對變壓器一般的設(shè)計(jì)過程進(jìn)行了分析并結(jié)合該設(shè)計(jì)對本文中所需的變壓器參數(shù)進(jìn)行了計(jì)算。確定了以鐵氧體為磁芯的選擇。5) CW倍壓電路的分析及設(shè)計(jì)：這里對CW倍壓電路的工作原理進(jìn)行了分析。并通過文獻(xiàn)公式進(jìn)行了紋波系數(shù)

44、的分析，最終以此為依據(jù)確定了CW倍壓電路的倍壓階數(shù)。與此同時(shí)也得出了CW倍壓電路中整流電容的大小和耐壓值情況。電容值不能選的太大。以上是本章的主要工作內(nèi)容和工作總結(jié)，在這里也對各個環(huán)節(jié)也進(jìn)行了Pspice仿真。確定了開環(huán)系統(tǒng)的可實(shí)現(xiàn)性。47第3章 高頻高壓電源控制電路的設(shè)計(jì)第3章 高頻高壓電源控制電路的設(shè)計(jì)3.1Buck電路的模型建立 建立電力電子電電路路開關(guān)網(wǎng)絡(luò)的傳遞函數(shù)是研究此類拓?fù)涞某Ｓ梅椒?。但是對于這類非線性對象，一般并不能通過簡單的處理獲得簡潔的線性描述。這是因?yàn)楸举|(zhì)上開關(guān)網(wǎng)絡(luò)是一個非線性系統(tǒng)，盡管由于開關(guān)的高頻效應(yīng)，使得高頻非線性激勵和線性器件的低頻響應(yīng)特性共同作用，形成最后的響應(yīng)

45、結(jié)果具有線性性質(zhì)因而能夠用線性描述來刻畫對象的主要性質(zhì)，但是由于開關(guān)在存在，一般較難處理并加以利用。這里建立Buck電路模型所采用的是小信號狀態(tài)空間法。這是一種普遍適用的方法，是一種最基本，標(biāo)準(zhǔn)化的分析方法，更具一般性。從其推導(dǎo)過程中我們可以看出它對于非線性因素的忽略處理過程，其可以得到關(guān)于占空比的傳遞函數(shù)。開關(guān)系統(tǒng)是一個強(qiáng)非線性系統(tǒng)，為了處理上的簡單，我們將開關(guān)器件理想化：忽略其導(dǎo)通壓降和反向漏電流，并認(rèn)為開關(guān)非通即斷，轉(zhuǎn)換在瞬間完成?；谶@兩個假設(shè)，在電感電流連續(xù)的前提下我們可以使用狀態(tài)方程組來描述開關(guān)網(wǎng)絡(luò)在開關(guān)導(dǎo)通和關(guān)斷這兩種工作狀態(tài)下各線性器件電參數(shù)之間的關(guān)系。以下是對Buck電路的小

46、信號建模圖3-1 Buck電路及其等效電路圖對電路進(jìn)行小信號分析當(dāng)電路中輸入法或負(fù)載有所變化時(shí)必然后產(chǎn)生一定的變化，設(shè)在變化過程中有以下幾式成立：（3-1）可得小信號圖形3-1圖3-2 Buck電路的小信號模型由于可得：（3-2）在這里我們忽略變量的二次項(xiàng)，可得輸出與各變化量的直接一次關(guān)系。當(dāng)我們研究輸出電壓的變化時(shí)即可得到下式：（3-3）同理也可以得到電流的的變化關(guān)系式：（3-5）（3-4）根據(jù)對電路3-1的分析可知，有如下關(guān)系式成立：結(jié)合式（3-3），（3-4），（3-5）可以得到Buck電路的各小信號之間的關(guān)系如下：（3-6）對上式取拉氏變換可得：（3-7）消去其中的電流變化量的因素可得

47、下式：（3-8）由式（3-3）可知，輸出電壓的變化不僅僅取決于輸出電壓的變化，而且也依賴于上空比的變化。然而我們希望在負(fù)載變化時(shí)其輸出不變化，至少是變化很小。這樣就需要進(jìn)行閉環(huán)調(diào)節(jié)。這里將采用傳統(tǒng)的PI調(diào)節(jié)1。3.2控制電路設(shè)計(jì) 3.2.1控制信號PWM波的發(fā)生圖3-3 開關(guān)管控制信號的發(fā)生電路該設(shè)計(jì)中的高頻高壓電源的設(shè)計(jì)，高頻是其根本所在。在高頻狀態(tài)下其觸發(fā)信號的產(chǎn)生非常重要，且其觸發(fā)角應(yīng)可調(diào)以達(dá)到輸出電壓的連續(xù)可。用于控制開關(guān)管導(dǎo)通與關(guān)斷的控制信號是由PWM波發(fā)生器產(chǎn)生的，如圖3-3所示。其電路主要是由一個開路增益很大的集成運(yùn)算放大器（即是一個電壓比較器）及其外部電路組成的。其工作原理如下

48、：比較器有兩個輸入端：一個為同相輸入端另一個為反相輸入端，它還有一個輸出端用于輸出高低電平，再有就是電源的輸入端了。電路正常工作時(shí)其兩個輸入端的電壓是變化的如圖3-4所示，其中電壓值為0.5V不變的就是反相輸入端，而三角波電壓信號則為比較器的同相輸入端電壓。當(dāng)同相輸入端的電壓高于反相輸入端的電壓時(shí)，輸出電壓即為高電平；當(dāng)同相輸入端的電壓低于反相輸入端的電壓時(shí)，輸出電壓即為低電平，即如圖中矩形波所示的電平信號。這樣一來，我們可以通過觀察輸出端電平的高低即可知道兩個輸入端的電壓高低情況。圖3-4 電壓比較器的工作波形示意在實(shí)際的電路中比較器的反相輸入端也一般采用一個不變的電壓值來實(shí)際，其稱為基準(zhǔn)電

49、壓，或是閾值電壓。比較器與運(yùn)放的差別：運(yùn)放可以做比較器電路，但性能較好的比較器比通用運(yùn)放的開環(huán)增益更高，輸入失調(diào)電壓更小，共模輸入電壓范圍更大，壓擺率較高(使比較器響應(yīng)速度更快)。另外，比較器的輸出級常用集電極開路結(jié)構(gòu)，它外部需要接一個上拉電阻或者直接驅(qū)動不同電源電壓的負(fù)載，應(yīng)用上更加靈活。但也有一些比較器為互補(bǔ)輸出，無需上拉電阻。以上便是電壓比較器的工作原理，這里我們采用一個幅值為5V，頻率為40KHz的三角波為同相輸入端的信號，一個基準(zhǔn)電壓為反相輸入，這樣便可以實(shí)現(xiàn)通過改變基準(zhǔn)電壓的電壓值來改變輸出矩形波電壓的占空比大小。3.2.2采樣的電壓的選取經(jīng)過第二章的分析可知主電路中的CW倍壓電路

50、為一個比較大的慣性環(huán)節(jié)，如果直接從最后輸出取采樣電壓，然后通過PI調(diào)節(jié)對該信號進(jìn)行處理再去控制Buck電路中開關(guān)管的開通與關(guān)斷來調(diào)節(jié)最后輸出的偏移的話，這樣往往會出現(xiàn)輸出電壓在擺動過程中不能穩(wěn)定的現(xiàn)象。假設(shè)輸出電壓偏小，則通過控制電路產(chǎn)生的控制信號的占空比增大來實(shí)現(xiàn)上調(diào)輸出電壓，由于CW倍壓電路部分的慣性原因控制信號的占空比會一直增大，直到輸出電壓符合要求為止，但此時(shí)的占空比又過大，會造成輸出電壓的較枉過正，這樣一來，電壓因?yàn)橐粋€很小的波動而產(chǎn)生一個比較大的電壓波動。而且電壓波動不會衰減停止，這樣就不能達(dá)到我們的調(diào)節(jié)目的了。所以本文中選擇從Buck電路部分的輸出端取樣，這樣取樣的不僅可以使響應(yīng)

51、變得及時(shí)，而且在此處取樣電壓值不大，所選取的隔離器也相對方便一些。3.2.3比例積分環(huán)節(jié)的設(shè)計(jì)圖3-5 比例積分原理電路控制電路能否在輸入電壓變化的同時(shí)保持輸出電壓的穩(wěn)定可調(diào)，這取決于其積分環(huán)節(jié)的設(shè)置。下面我將從比例積分器的一般設(shè)計(jì)角度出發(fā)，來使設(shè)計(jì)的比例積分器可以很好的達(dá)到所需的要求。以下為比例積分器的設(shè)計(jì)原理：比例積分器的設(shè)計(jì)一般分為下面幾個步驟：1比例積分器電路形式的選擇比例積分電路的形式可以根據(jù)實(shí)際要求來確定。若要進(jìn)行兩個信號的求和積分運(yùn)算，應(yīng)選擇求和積分電路。若只要求對某個信號進(jìn)行一般的波形變換，可選用基本積分電路（即圖3-5所示電路）。2確定時(shí)間常數(shù)時(shí)間常數(shù)的大小決定了積分速度的快

52、慢。由于運(yùn)算放大器的最大輸出電壓為有限值（通 常左右），因此，若的值太小，則還未達(dá)到預(yù)定的積分時(shí)間 t 之前，運(yùn)放已經(jīng)飽和，輸出電壓波形會嚴(yán)重失真。所以的值必須滿足：（3-9）當(dāng)為階躍信號時(shí)，的值必須滿足式（3-5）：（3-10）其中E為階躍信號的幅值。3電路中元器件的選取1）當(dāng)時(shí)間常數(shù)確定后，就可以選擇R和C的值，由于反相積分電路的輸入電阻，因此往往希望R的值大一些。在R的值滿足輸入電阻要求的條件下，一般選擇較大的C值。2）確定為靜態(tài)平衡電阻，用來補(bǔ)償偏置電流所產(chǎn)生的失調(diào)，一般取3）確定 在實(shí)際電路中，通常與積分電容串聯(lián)一個電阻。可以調(diào)節(jié)比例積分器的比例系數(shù)。一般應(yīng)使積分時(shí)間常數(shù)小于輸入的波

53、動周期時(shí)間。4）選擇運(yùn)算放大器 為了減小運(yùn)放參數(shù)對積分電路輸出電壓的影響，應(yīng)選擇：輸入失調(diào)參數(shù)小，開環(huán)增益大，輸入電阻高的集成運(yùn)算放大器。4比例積分器的調(diào)試對于圖（3-5）所示的基本積分電路，主要是調(diào)整積分漂移。一般情況下，是調(diào)整運(yùn)放的外接調(diào)零電位器，以補(bǔ)償輸入失調(diào)電壓與輸入失調(diào)電流的影響。調(diào)整方法如下：先將積分電路的輸入端接地，在積分電容的兩端接入短路線，將積分電容短路，使積分電路復(fù)零。然后去掉短路線，用數(shù)字電壓表（取直流檔）監(jiān)測積分電路的輸出電壓，調(diào)整調(diào)零電位器，同時(shí)觀察積分電路輸出端積分漂移的變化情況， 當(dāng)調(diào)零電位器的值向某一方向變化時(shí)，輸出漂移加快，而反方向調(diào)節(jié)時(shí)，輸出漂移變慢。反復(fù)仔

54、細(xì)調(diào)節(jié)調(diào)零電位器，直到積分電路的輸出漂移最小為止。積分器的參數(shù)計(jì)算如下：（3-11）電路選取如圖3-5所示的積分電路，先計(jì)算比例積分的積分時(shí)間常數(shù)。經(jīng)過計(jì)算可以得出下面的式子：根據(jù)式（3-8）可以對系統(tǒng)的輸出波動時(shí)間進(jìn)行初步計(jì)算。假設(shè)此時(shí)系統(tǒng)的輸入電壓沒有變化，則式（3-8）可變?yōu)橄率剑海?-12）在沒有閉環(huán)的前提下系統(tǒng)的輸出紋波波動周期為：（3-13）計(jì)算得：。為保證比例積分能獲得較快的積分速度，因此選擇。確定輸入電阻和積分電容C由于運(yùn)算放大電路的輸入電阻比較大一般大于10K，為了不影響積分效果而且加快積分速度，這里取輸入電阻，因此積分電容C為：為了加快積分器的調(diào)節(jié)作用達(dá)到穩(wěn)定，所以取平衡電

55、阻應(yīng)為：。這樣一個比例積分器就設(shè)計(jì)完成了。3.2.4控制電路圖3-6 控制電路原理圖有了以上幾個小節(jié)的分析和設(shè)計(jì)，現(xiàn)在可以直接給出初步的控制電路。該電路是由前面幾節(jié)中設(shè)計(jì)出來的電壓比較器和積分器實(shí)現(xiàn)的。三角波發(fā)生器的輸出為幅值為5V的三角波。在比較器的設(shè)置時(shí)，由于比例積分的輸出可達(dá)15V，所以沒有設(shè)置直流電源來提高三角波的電平，三角波的電位的調(diào)整完全靠積分器的輸出。這樣電路也可以在很短的時(shí)間里達(dá)到穩(wěn)態(tài)，同時(shí)這樣也可以減少器件的外圍電路的復(fù)雜程度，使得電路的可靠性有了一定的保證。整個系統(tǒng)輸出電壓的可調(diào)是通過調(diào)節(jié)圖（3-6）中的V17的電壓為實(shí)現(xiàn)的。輸出電壓與V17的電壓的關(guān)系為：（3-14）3.

56、3閉環(huán)系統(tǒng)的仿真在進(jìn)行了整體系統(tǒng)的開環(huán)設(shè)計(jì)和閉環(huán)設(shè)計(jì)后現(xiàn)對整體系統(tǒng)進(jìn)行仿真。系統(tǒng)主電路見附錄5。圖3-7 系統(tǒng)閉環(huán)仿真波形這里以輸出電壓為15KV為例例舉了一些波形，通過這些波形可知，系統(tǒng)符合設(shè)計(jì)要求。此時(shí)輸入為220V交流輸入，負(fù)載為阻性負(fù)載。圖3-8 系統(tǒng)閉環(huán)輸出紋波波形系統(tǒng)可以很快的到達(dá)平衡狀態(tài)，由圖3-7可知系統(tǒng)在6ms的時(shí)候就已經(jīng)達(dá)到輸出電壓要求并很穩(wěn)定了。如圖3-8所示為系統(tǒng)閉環(huán)紋波波形，其中紋波上限峰值為，下限峰值為，可計(jì)算出此時(shí)的輸出電壓紋波為可見已經(jīng)小于的輸出紋波要求。圖3-9 變壓器原邊繞組電壓波形及峰值由圖3-9可知：逆變電路部分的逆變是非常成功的，其輸出電壓非常接近矩形波，而且幅正負(fù)相等。圖3-10 Buck模塊輸出與CW倍壓電路輸出圖3-10所示的波形為Buck模塊輸出與CW倍壓電路的輸出，由該圖可以看出Buck級電路的輸出紋波幅值約為，紋波系數(shù)為，略比最終輸出電壓紋波系數(shù)大，變壓器和CW倍壓電路的變壓近似為線