降壓型PWM_AC-DC開關(guān)電源設(shè)計(jì)

1.引 言

1.1開關(guān)電源的概念

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

開關(guān)電源中應(yīng)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(diào)制(PWM)控制IC和MOSFET構(gòu)成。開關(guān)電源電路主要由整流濾波電路、DC-DC控制器(內(nèi)含變壓器)、開關(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(diào)制(PWM)，是英文“Pulse Width Modulation”的縮寫，簡(jiǎn)稱脈寬調(diào)制，脈沖寬度調(diào)制是一種模擬控制方式，其根據(jù)相應(yīng)載荷的變化來(lái)調(diào)制晶體管柵極或基極的偏置，來(lái)實(shí)現(xiàn)開關(guān)穩(wěn)壓電源輸出晶體管或晶體管導(dǎo)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(shù)字輸出來(lái)對(duì)模擬電路進(jìn)行控制的一種非常有效的技術(shù)。廣泛應(yīng)用在從測(cè)量、通信到功率控制與變換的許多領(lǐng)域中。

脈沖寬度調(diào)制(PWM)基于采樣控制理論中的一個(gè)重要結(jié)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(jié)上時(shí)，其效果基本相同。在控制時(shí)對(duì)半導(dǎo)體開關(guān)器件的導(dǎo)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(guī)則對(duì)各脈沖的寬度進(jìn)行調(diào)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(yùn)用于開關(guān)電源控制時(shí)首先保持主電路開關(guān)元件的恒定工作周期(T=ton+toff)，再由輸出信號(hào)與基準(zhǔn)信號(hào)的差值來(lái)控制閉環(huán)反饋，以調(diào)節(jié)導(dǎo)通時(shí)間ton，最終控制輸出電壓(或電流)的穩(wěn)定。

PWM的一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是從處理器到被控系統(tǒng)信號(hào)都是數(shù)字形式的，無(wú)需進(jìn)行數(shù)模轉(zhuǎn)換。讓信號(hào)保持為數(shù)字形式可將噪聲影響降到最小。噪聲只有在強(qiáng)到足以將邏輯1改變?yōu)檫壿?或?qū)⑦壿?改變?yōu)檫壿?時(shí)，也才能對(duì)數(shù)字信號(hào)產(chǎn)生影響。

對(duì)噪聲抵抗能力的增強(qiáng)是PWM相對(duì)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?qū)WM用于通信的主要原因。從模擬信號(hào)轉(zhuǎn)向PWM可以極大地延長(zhǎng)通信距離。在接收端，通過(guò)適當(dāng)?shù)腞C或LC網(wǎng)絡(luò)可以濾除調(diào)制高頻方波并將信號(hào)還原為模擬形式。

1.1.2 降壓型DC-DC開關(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(diào)的直流電壓的過(guò)程稱為DC-DC交換完成這一變幻的電路稱為DC-DC轉(zhuǎn)換器。根據(jù)輸入電路與輸出電路的關(guān)系，DC-DC 轉(zhuǎn)換器可分為非隔離式DC-DC轉(zhuǎn)換器和隔離式DC-DC轉(zhuǎn)換器。降壓型DC-DC 開關(guān)電源屬于非隔離式的。

降壓型DC-DC轉(zhuǎn)換器主電路圖如下：

其中，功率IGBT為開關(guān)調(diào)整元件，它的導(dǎo)通與關(guān)斷由控制電路決定;L和C為濾波元件。驅(qū)動(dòng)VT導(dǎo)通時(shí)，負(fù)載電壓Uo=Uin，負(fù)載電流Io按指數(shù)上升;控制VT關(guān)斷時(shí)，二極管VD可保持輸出電流連續(xù)，所以通常稱為續(xù)流二極管。負(fù)載電流經(jīng)二極管VD續(xù)流，負(fù)載電壓Uo近似為零，負(fù)載電流呈指數(shù)曲線下降。為了使負(fù)載電流連續(xù)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(jié)束，在驅(qū)動(dòng)VT導(dǎo)通，重復(fù)上一周期過(guò)程。當(dāng)電路工作于穩(wěn)態(tài)時(shí)，負(fù)載電流在一個(gè)周期的初值和終值相等。負(fù)載電壓的平均值為

式中，ton為VT處于導(dǎo)通的時(shí)間，toff為VT處于關(guān)斷的時(shí)間;T為開關(guān)管控制信號(hào)的周期，即ton+toff;α為開關(guān)管導(dǎo)通時(shí)間與控制信號(hào)周期之比，通常稱為控制信號(hào)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，因此將其稱為降壓型DC-DC轉(zhuǎn)換器。負(fù)載電流的平均值為

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