【文章內(nèi)容簡介】 種類型。 脈寬調(diào)制 PWM 即要求逆變電路輸入直流電壓的有效值是不能控制的，也就是整流電路應(yīng)為二極管控橋路，而逆變電路通過控制全控元件的開關(guān)頻率和開關(guān)時(shí)間的長短，用來改變其輸出電壓變頻和輸出脈沖占空比，因此 實(shí)現(xiàn)頻率和電壓值配合改變目的。 整流器分為電壓型和電流型兩大類。電壓型 PWM 整流器（ Voltage Source Rectifier,簡稱 VSR）最顯著的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)特征就是直流側(cè)采用電容進(jìn)行直流儲(chǔ)能，從而使直流側(cè)呈低阻抗的電壓源特性。它以其較低的損耗、簡單的結(jié)構(gòu)、方便的控制和較快的響應(yīng)速度等一系列優(yōu)點(diǎn)，一直成為 PWM 整流器研究的重點(diǎn)。 下圖是三相電壓型 PWM 整流器。 圖 一種三相電壓型 PWM 整流器 基于 UC3844 變頻器輔助電源的研究設(shè)計(jì) 4 電流型 PWM 控制系統(tǒng)的流程框圖如圖所示。 圖 電流型 PWM 控制系統(tǒng)框圖 該系統(tǒng)采用電流電 壓雙閉環(huán)串級(jí)控制結(jié)構(gòu) ,內(nèi)環(huán)是電流環(huán) ,外環(huán)是電壓環(huán)?？刂圃硎?:給定的電壓 Ug與從輸出反饋回的電壓 Ur 進(jìn)行比較 ,得到的電壓誤差經(jīng)電壓調(diào)節(jié)器輸出作為另一個(gè)給定的電壓信號(hào) Ue。該信號(hào)與經(jīng)電阻采樣反映電流變化的信號(hào) Us 進(jìn)行比較 ,輸出一個(gè)占空比可調(diào)節(jié)的 PWM 脈沖信號(hào) ,從而使得輸出的電壓信號(hào) V0 保持恒定。 電流型 PWM 控制的優(yōu)點(diǎn)如下 : a)負(fù)載調(diào)整率好。由于電壓誤差放大器可專門用于控制占空比 ,可以很快適應(yīng)負(fù)載變化造成的輸出電壓的變化 ,因此可以顯著改善負(fù)載調(diào)整率。 b)電壓調(diào)整率好。輸入電壓的變化會(huì)帶動(dòng)電感電流的變化 ,電 感電流的變化立即被電流控制回路感應(yīng)而被抑制 ,不需要類似電壓控制調(diào)節(jié)的復(fù)雜過程，所以響應(yīng)快。如果輸入電壓的變化是持續(xù)的 ,電壓反饋環(huán)也起作用 ,可以達(dá)到較高的調(diào)整率。 c)系統(tǒng)穩(wěn)定性好。電壓控制單閉環(huán)系統(tǒng)是一個(gè)無條件的二階穩(wěn)定系統(tǒng)。而電流控制雙閉環(huán)系統(tǒng)是一個(gè)無條件的一階穩(wěn)定系統(tǒng) ,因此系統(tǒng)穩(wěn)定性好。 變頻器的開關(guān)電源簡介 開關(guān)電源的發(fā)展 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 的元器件，特別是改善二次整流器件的損耗，并在功率鐵氧體材料上加大科技創(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(duì)傳統(tǒng)的 PWM 基于 UC3844 變頻器輔助電源的研究設(shè)計(jì) 5 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)已成為開關(guān)電源的主流技術(shù)，并大幅提高了開關(guān)電源的工作效率。對(duì)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)品的可靠性大大提 高。 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、變壓器。 SCR 在開關(guān)電源輸入整流電路及軟啟動(dòng)電路中有少量應(yīng)用， GTR 驅(qū)動(dòng)困難，開關(guān)頻率低，逐漸被 IGBT 和 MOSFET 取代。 開關(guān)電源高頻化和小型化，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)了開關(guān)電源的發(fā)展前進(jìn)，每年以超過兩位數(shù)字的增長率向著輕、小、薄、低噪聲、高可靠、抗干擾的方向發(fā)展。開關(guān)電源可分為 AC/DC 和 DC/DC 兩大類，DC/DC 變換器現(xiàn)已實(shí)現(xiàn)模塊化，且設(shè)計(jì)技術(shù)及生產(chǎn)工藝在國內(nèi)外均已成熟和標(biāo)準(zhǔn)化，并已 得到用戶的認(rèn)可，但 AC/DC 的模塊化，因其自身的特性使得在模塊化的進(jìn)程中，遇到較為復(fù)雜的技術(shù)和工藝制造問題。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。 模塊化是開關(guān)電源發(fā)展的總體趨勢(shì)，可以采用模塊化電源組成分布式電源系統(tǒng)，可以設(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(duì)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。 電力電子技術(shù)的不斷創(chuàng)新，使開關(guān)電源產(chǎn)業(yè)有著廣闊的發(fā)展前景。要加快我國開關(guān)電源產(chǎn)業(yè)的發(fā)展速度，就必須走技術(shù)創(chuàng)新之路，走出有中國特色的產(chǎn)學(xué)研聯(lián)合發(fā)展之路，為我國國民經(jīng)濟(jì)的高速發(fā)展做出貢獻(xiàn)。 開關(guān)電源的工作原理： 開關(guān)電源的工作過程相當(dāng)容易理解，在線性電源中，讓功率晶體管工作在線性模式，與線性電源不同的是， PWM 開關(guān)電源是讓功率晶體管工作在導(dǎo)通和關(guān)斷的狀態(tài)，在這兩種狀態(tài)中，加在功率晶體管上的伏 安乘積是很小的（在導(dǎo)通時(shí)，電壓低，電流大；關(guān)斷時(shí)，電壓高，電流?。?/功率器件上的伏安乘積就是功率半導(dǎo)體器件上所產(chǎn)生的損耗。 與線性電源相比， PWM 開關(guān)電源更為有效的工作過程是通過 “ 斬波 ” ，即把輸入的直流電壓斬成幅值等于輸入電壓幅值的脈沖電壓來實(shí)現(xiàn)的。脈沖的占空比由開關(guān)電源的控制器來調(diào)節(jié)。一旦輸入電壓被斬成交流方波，其幅值就可以通過變壓器來升高或降低。通過增加變壓器的二次繞組數(shù)就可以增加輸出的電壓值。最后這些交流波形經(jīng)過整流濾波后就得到直流輸出電壓。 基于 UC3844 變頻器輔助電源的研究設(shè)計(jì) 6 控制器的主要目的是保持輸出電壓穩(wěn)定，其工作過程與線性形式的控制器很類似。也就是說控制器的功能塊、電壓參考和誤差放大器，可以設(shè)計(jì) 成與線性調(diào)節(jié)器相同。他們的不同之處在于，誤差放大器的輸出（誤差電壓）在驅(qū)動(dòng)功率管之前要經(jīng)過一個(gè)電壓/脈沖寬度轉(zhuǎn)換單元。 開關(guān)電源有兩種主要的工作方式：正激式變換和升壓式變換。盡管它們各部分的布置差別很小，但是工作過程相差很大，在特定的應(yīng)用場(chǎng)合下各有優(yōu)點(diǎn)。 開關(guān)電源的優(yōu)點(diǎn)： 開關(guān)電源的電路結(jié)構(gòu)與線性電源相比有如下幾個(gè)優(yōu)點(diǎn)： (1)功耗小，效率高。激勵(lì)信號(hào)激勵(lì)功率晶體管，晶體管交替工作在飽和導(dǎo)通與截止的快速開關(guān)狀態(tài)，頻率一般在幾十到幾百 kHz。這就使得功率晶體管的損耗較小，電源的效率可以達(dá)到 80%以 上。 (2)濾波的效率高，大大減小了濾波電容的容量和體積。開關(guān)穩(wěn)壓電源的工作頻率是線性穩(wěn)壓電源的頻率的 1000 倍，這使整流后的濾波效率幾乎也提高了 1000 倍。采用開關(guān)穩(wěn)壓電源時(shí)，在相同的紋波輸出電壓的要求下，濾波電容的容量遠(yuǎn)小于線性穩(wěn)壓電源中濾波電容容量。 (3)穩(wěn)壓范圍寬。激勵(lì)信號(hào)的占空比和激勵(lì)信號(hào)的頻率是用來調(diào)節(jié)開關(guān)穩(wěn)壓電源輸出電壓的，并且通過變頻或調(diào)寬，可以對(duì)輸入電壓的變化進(jìn)行補(bǔ)償。在電網(wǎng)電壓不穩(wěn)定的時(shí)候，或者負(fù)載有較大的變化時(shí)，它仍然可以保證穩(wěn)定的輸出電壓，因此它的穩(wěn)壓范圍較寬、穩(wěn)壓效果比其他電源 好。 (4)體積小。開關(guān)穩(wěn)壓電源沒有體積較大工頻變壓器，并且省去了很多散熱片，因?yàn)槠湓诠β示w管上的耗散功率大幅降低。因此開關(guān)穩(wěn)壓電源無論是體積還是重量都有所減小。 (5)電路形式較多。例如，有調(diào)寬型和調(diào)頻型，自激式和他激式，有單端式和雙端式。 設(shè)計(jì)師可以發(fā)揮各種類型電路的特長，設(shè)計(jì)出能滿足不同應(yīng)用場(chǎng)合的開關(guān)穩(wěn)壓電源。 開關(guān)電源的構(gòu)成 變頻器開關(guān)電源主要包括整流濾波電路、變換器、控制電路、保護(hù)電路組成。 基于 UC3844 變頻器輔助電源的研究設(shè)計(jì) 7 圖 開關(guān)電源的基本構(gòu)成 變頻器的整流慮波電路和逆變電路，可分為晶閘管三相橋半控式整流和三相逆變電路、二極管單相橋式整流和三相逆變電路、晶閘管三相橋全控式整流和三相逆變電路、二極管三相橋式整流和三相逆變電路等 4 類。 在變頻器整流的過程中，可以產(chǎn)生大量的高次諧波，據(jù)綠波杰能的不完全統(tǒng)計(jì)，最高的電流畸變率，可以達(dá)到 70%以上。這些高次諧波，會(huì)通過與變頻器輸入端連接的電源線，進(jìn)入到電網(wǎng)中，進(jìn)而會(huì)影響到使用這一電網(wǎng)的敏感設(shè)備的正常工作。 變頻器輸入濾波器，就是為了解決變頻器干擾電網(wǎng)的問題 ，同時(shí)，亦能解決變頻器遭受電網(wǎng)中的諧波危害所產(chǎn)生的過壓、過流、欠壓、過載、過熱等誤報(bào)警、誤動(dòng)作、拒動(dòng)等問題。 輸入濾波器的作用： 第一，對(duì)將要進(jìn)入變頻器的電網(wǎng)中的諧波進(jìn)行阻止。 第二，對(duì)變頻器產(chǎn)生的諧波進(jìn)行抑制。 第三，緩和電網(wǎng)中的尖峰脈沖； 第四，抑制電網(wǎng)的換相缺口； 輸出整流濾波器的作用是將變換器輸出的高頻交流電壓整流濾波得到需要的直流電壓，同時(shí)防止高頻噪聲對(duì)負(fù)載的干擾。 開關(guān)電源有兩種常用的變換器： ① PWM 變換器 脈沖寬度調(diào)制簡稱脈寬調(diào)制。它的原理是利用微處理器的數(shù)字輸出控制模擬 電路。是一種非常有效的技術(shù)，在通信、功率控制、測(cè)量與變換等許多領(lǐng)域都有所應(yīng)用。通過 基于 UC3844 變頻器輔助電源的研究設(shè)計(jì) 8 參數(shù)相應(yīng)載荷的變化來調(diào)制晶體管基極或柵極的偏置，以此改變晶體管導(dǎo)通的時(shí)間，這種方式能使電源輸出電壓在外部工作條件變化時(shí)，一直保持恒定。 脈沖寬度調(diào)制（ PWM）通過高分辨率計(jì)數(shù)器的使用，方波的占空比被調(diào)制用來對(duì)一個(gè)具體模擬信號(hào)的電平進(jìn)行編碼。 PWM 信號(hào)仍然是數(shù)字的，所以不論在給定的任何時(shí)刻，滿幅值的直流供電要么為 0，要么完全存在。 SU 1++VTCi sU 0 圖 PWM 變換器原理圖 電壓或電流源是以一種通或斷的重復(fù)脈沖序列。直流供電加到負(fù)載上 的時(shí)候就是通的時(shí)候，供電被斷開的時(shí)候就是斷的時(shí)候。所以如果帶寬夠的話，所有模擬值都可以使用 PWM 來編碼。其工作原理如上圖 。 多數(shù)負(fù)載 (無論是電感性負(fù)載還是電容性負(fù)載 )需要的調(diào)制頻率高于 10Hz，通常調(diào)制頻率為 1kHz 到 200kHz 之間。 PWM 相對(duì)于模擬控制的另外一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是對(duì)噪聲抵抗能力的增強(qiáng)，所以某些時(shí)候我們必須以 PWM 進(jìn)行通信。通過將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)向 PWM，可以很大程度上地延長通信距離。通過適當(dāng)?shù)?LC 或 RC 網(wǎng)絡(luò)可以在接收端濾除調(diào)制高頻方波，并將信號(hào)還原為模擬形式。 ② DC/DC 變換器 DC/DC 變換器在開關(guān)電源中，一般來說是要求輸入與輸出間進(jìn)行電隔離的。在這種情況下需要使用稱為隔離變換器的變壓器進(jìn)行隔離。隔離變換器可以把直流電壓變換為高頻方波電壓，把直流電流變換為高頻方波電流。通過升壓降壓變換和整流平滑濾波，最后變?yōu)橹绷麟妷夯螂娏鳌? DC/DC 變換器有 5 種基本類型：單端正激式、單端反激式、推挽式、半橋式和全橋式轉(zhuǎn)換器。下面重點(diǎn)分析隔離式單端反激轉(zhuǎn)換電路，電路結(jié)構(gòu)圖如圖所示。 基于 UC3844 變頻器輔助電源的研究設(shè)計(jì) 9 V DCR LM 2V i n 圖 隔離式單端反激轉(zhuǎn)換電路 單端反激式變換器又稱電感儲(chǔ)能式變換器，其變壓器兼有儲(chǔ)能、變壓、隔離三重作用。所謂單 端，指變壓器磁芯僅工作在其磁滯回線的一側(cè)。當(dāng)功率開關(guān)管 S 導(dǎo)通時(shí)，直流輸入電壓 Vin 加在初級(jí)繞組上，在變壓器初級(jí)電感線圈中儲(chǔ)存能量，由于次級(jí)繞組感應(yīng)電壓為上負(fù)下正，使二極管 D 反偏截止，次級(jí)繞組中無電流，此時(shí)電能轉(zhuǎn)化為磁能存儲(chǔ)在初級(jí)電感中。當(dāng) S 截止時(shí)，初級(jí)感應(yīng)電壓極性反向，使次級(jí)繞組感應(yīng)電壓極性反轉(zhuǎn)，二極管 D 導(dǎo)通，儲(chǔ)存在變壓器中的能量傳遞給輸出電容 C，同時(shí)給負(fù)載供電，磁能轉(zhuǎn)化為電能釋放出來。當(dāng)開關(guān)管重新導(dǎo)通時(shí)，負(fù)載電流由電容 C 來提供，同時(shí)變壓器初級(jí)繞組重新儲(chǔ)能，如此反復(fù)。從以上電路分析可以看出， S 導(dǎo)通時(shí)，次級(jí)繞 組無電流； S 截止時(shí)，次級(jí)繞組有電流，這就是 “ 反激 ” 的含義。 所謂反激式變壓器開關(guān)電源，是指當(dāng)變壓器的初級(jí)線圈正好被直流脈沖電壓激勵(lì)時(shí)，變壓器的次級(jí)線圈沒有向負(fù)載提供功率輸出，而僅在變壓器初級(jí)線圈的激勵(lì)電壓被關(guān)斷后才向負(fù)載提供功率輸出，這種變壓器開關(guān)電源稱為反激式開關(guān)電源。 下圖是反激式變壓器開關(guān)電源的簡單工作原理圖： 圖 反激式變壓器開關(guān)電源原理圖 基于 UC3844 變頻器輔助電源的研究設(shè)計(jì) 10 圖中變壓器的初級(jí)繞組與次級(jí)繞組同名端相反， inU 為輸入直流電壓，開關(guān) S 為功率開關(guān)管， C 為輸出濾波電容， R 為負(fù)載， L1i 為初級(jí)繞組電流， L2i為次級(jí)繞組 電流；oU 和 oi為輸出電壓和電流，參考方向如圖 所示。 反激變換電路由于具有拓?fù)浜唵危斎胼敵鲭姎飧綦x，升 /降壓范圍廣，多路輸出負(fù)載自動(dòng)均衡等優(yōu)點(diǎn)，廣泛用于多路輸出的機(jī)內(nèi)電源中。在反激變換器中， 變壓器 起著 電感 和變壓器的雙重作用，由于變壓器 磁芯 處于直流偏磁狀態(tài)，為防磁飽和要加入氣隙，漏感較大。功率管導(dǎo)通時(shí)，電感電流變化率和電流峰值很大，生成功率開關(guān)管開通時(shí)的電流尖峰；當(dāng)功率管關(guān)斷時(shí)，也會(huì)產(chǎn)生很高的關(guān)斷電壓尖峰，給功率管造成很大負(fù)擔(dān)，會(huì)損壞功率管。因此，要想法設(shè)法限制反激變換器功率開關(guān)電流尖峰和電壓尖峰。反激變換器具有容易進(jìn)行多路隔離輸出、輸入輸出電氣全部隔離、簡單有效、高可靠性的優(yōu)點(diǎn)。因此，反激變換器是對(duì)開關(guān)電源來說非常重要 ,電力電 子技術(shù)研究人員對(duì)此進(jìn)行了大量的研究。 反激變換器的參數(shù)由反激式變壓器來決定，如最大峰值電流和占空比，反激式變壓器的設(shè)計(jì)，就是對(duì)所有的工作器件做一個(gè)合理的安排和規(guī)劃，參數(shù)計(jì)算要尊重事實(shí)規(guī)律和理論。