【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，也就是整流電路應為二極管控橋路，而逆變電路通過控制全控元件的開關頻率和開關時間的長短，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）最顯著的拓撲結構特征就是直流側采用電容進行直流儲能，從而使直流側呈低阻抗的電壓源特性。它以其較低的損耗、簡單的結構、方便的控制和較快的響應速度等一系列優(yōu)點，一直成為 PWM 整流器研究的重點。 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計 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)串級控制結構 ,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)器輸出作為另一個給定的電壓信號 Ue。該信號與經(jīng)電阻采樣反映電流變化的信號 Us 進行比較 ,輸出一個占空比可調(diào)節(jié)的 PWM 脈沖信號 ,從而使得輸出的電壓信號 V0 保持恒定。 電流型 PWM 控制的優(yōu)點如下 : a)負載調(diào)整率好。由于電壓誤差放大器可專門用于控制占空比 ,可以很快適應負載變化造成的輸出電壓的變化 ,因此可以顯著改善負載調(diào)整率。 b)電壓調(diào)整率好。輸入電壓的變化會帶動電感電流的變化 ,電 感電流的變化立即被電流控制回路感應而被抑制 ,不需要類似電壓控制調(diào)節(jié)的復雜過程，所以響應快。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。 變頻器的開關電源簡介 開關電源的發(fā)展 開關電源的發(fā)展方向是高頻、高可靠、低耗、低噪聲、抗干擾和模塊化。由于開關電源輕、小、薄的關鍵技術是高頻化，因此國外各大開關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關鍵技術。 SMT 技術的應用使得開關電源取得了長足的進展，在電路板兩面布置元器件，以確保開關電源的輕、小、薄。開關電源的高頻化就必然對傳統(tǒng)的 PWM 基于 UC3844 變頻器輔助電源的研究設計 5 開關技術進行創(chuàng)新，實現(xiàn) ZVS、 ZCS 的軟開關技術已成為開關電源的主流技術，并大幅提高了開關電源的工作效率。對于高可靠性指標，美國的開關電源生產(chǎn)商通過降低運行電流，降低結溫等措施以減少器件的應力，使得產(chǎn)品的可靠性大大提 高。 開關電源中應用的電力電子器件主要為二極管、 IGBT 和 MOSFET、變壓器。 SCR 在開關電源輸入整流電路及軟啟動電路中有少量應用， GTR 驅(qū)動困難，開關頻率低，逐漸被 IGBT 和 MOSFET 取代。 開關電源高頻化和小型化，使開關電源進入更廣泛的應用領域，特別是在高新技術領域的應用，推動了開關電源的發(fā)展前進，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。開關電源可分為 AC/DC 和 DC/DC 兩大類，DC/DC 變換器現(xiàn)已實現(xiàn)模塊化，且設計技術及生產(chǎn)工藝在國內(nèi)外均已成熟和標準化，并已 得到用戶的認可，但 AC/DC 的模塊化，因其自身的特性使得在模塊化的進程中，遇到較為復雜的技術和工藝制造問題。另外，開關電源的發(fā)展與應用在節(jié)約能源、節(jié)約資源及保護環(huán)境方面都具有重要的意義。 模塊化是開關電源發(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)，可以設計成 N+1 冗余電源系統(tǒng)，并實現(xiàn)并聯(lián)方式的容量擴展。針對開關電源運行噪聲大這一缺點，若單獨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，在理論上即可實現(xiàn)高頻化又可降低噪聲，但部分諧振轉(zhuǎn)換技術的實際應用仍存在著技術問題，故仍需在這一領域開 展大量的工作，以使得該項技術得以實用化。 電力電子技術的不斷創(chuàng)新，使開關電源產(chǎn)業(yè)有著廣闊的發(fā)展前景。要加快我國開關電源產(chǎn)業(yè)的發(fā)展速度，就必須走技術創(chuàng)新之路，走出有中國特色的產(chǎn)學研聯(lián)合發(fā)展之路，為我國國民經(jīng)濟的高速發(fā)展做出貢獻。 開關電源的工作原理： 開關電源的工作過程相當容易理解，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 開關電源是讓功率晶體管工作在導通和關斷的狀態(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（在導通時，電壓低，電流大；關斷時，電壓高，電流?。?/功率器件上的伏安乘積就是功率半導體器件上所產(chǎn)生的損耗。 與線性電源相比， PWM 開關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現(xiàn)的。脈沖的占空比由開關電源的控制器來調(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計 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，可以設計 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)動功率管之前要經(jīng)過一個電壓/脈沖寬度轉(zhuǎn)換單元。 開關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，在特定的應用場合下各有優(yōu)點。 開關電源的優(yōu)點： 開關電源的電路結構與線性電源相比有如下幾個優(yōu)點： (1)功耗小，效率高。激勵信號激勵功率晶體管，晶體管交替工作在飽和導通與截止的快速開關狀態(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。采用開關穩(wěn)壓電源時，在相同的紋波輸出電壓的要求下，濾波電容的容量遠小于線性穩(wěn)壓電源中濾波電容容量。 (3)穩(wěn)壓范圍寬。激勵信號的占空比和激勵信號的頻率是用來調(diào)節(jié)開關穩(wěn)壓電源輸出電壓的，并且通過變頻或調(diào)寬，可以對輸入電壓的變化進行補償。在電網(wǎng)電壓不穩(wěn)定的時候，或者負載有較大的變化時，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，因為其在功率晶體管上的耗散功率大幅降低。因此開關穩(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。 設計師可以發(fā)揮各種類型電路的特長，設計出能滿足不同應用場合的開關穩(wěn)壓電源。 開關電源的構成 變頻器開關電源主要包括整流濾波電路、變換器、控制電路、保護電路組成。 基于 UC3844 變頻器輔助電源的研究設計 7 圖 開關電源的基本構成 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，最高的電流畸變率，可以達到 70%以上。這些高次諧波，會通過與變頻器輸入端連接的電源線，進入到電網(wǎng)中，進而會影響到使用這一電網(wǎng)的敏感設備的正常工作。 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，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、過熱等誤報警、誤動作、拒動等問題。 輸入濾波器的作用： 第一，對將要進入變頻器的電網(wǎng)中的諧波進行阻止。 第二，對變頻器產(chǎn)生的諧波進行抑制。 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，同時防止高頻噪聲對負載的干擾。 開關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，在通信、功率控制、測量與變換等許多領域都有所應用。通過 基于 UC3844 變頻器輔助電源的研究設計 8 參數(shù)相應載荷的變化來調(diào)制晶體管基極或柵極的偏置，以此改變晶體管導通的時間，這種方式能使電源輸出電壓在外部工作條件變化時，一直保持恒定。 脈沖寬度調(diào)制（ PWM）通過高分辨率計數(shù)器的使用，方波的占空比被調(diào)制用來對一個具體模擬信號的電平進行編碼。 PWM 信號仍然是數(shù)字的，所以不論在給定的任何時刻，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脈沖序列。直流供電加到負載上 的時候就是通的時候，供電被斷開的時候就是斷的時候。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)負載 (無論是電感性負載還是電容性負載 )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 相對于模擬控制的另外一個優(yōu)點是對噪聲抵抗能力的增強，所以某些時候我們必須以 PWM 進行通信。通過將模擬信號轉(zhuǎn)向 PWM，可以很大程度上地延長通信距離。通過適當?shù)?LC 或 RC 網(wǎng)絡可以在接收端濾除調(diào)制高頻方波，并將信號還原為模擬形式。 ② DC/DC 變換器 DC/DC 變換器在開關電源中，一般來說是要求輸入與輸出間進行電隔離的。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。下面重點分析隔離式單端反激轉(zhuǎn)換電路，電路結構圖如圖所示。 基于 UC3844 變頻器輔助電源的研究設計 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能式變換器，其變壓器兼有儲能、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。當功率開關管 S 導通時，直流輸入電壓 Vin 加在初級繞組上，在變壓器初級電感線圈中儲存能量，由于次級繞組感應電壓為上負下正，使二極管 D 反偏截止，次級繞組中無電流，此時電能轉(zhuǎn)化為磁能存儲在初級電感中。當 S 截止時，初級感應電壓極性反向，使次級繞組感應電壓極性反轉(zhuǎn)，二極管 D 導通，儲存在變壓器中的能量傳遞給輸出電容 C，同時給負載供電，磁能轉(zhuǎn)化為電能釋放出來。當開關管重新導通時，負載電流由電容 C 來提供，同時變壓器初級繞組重新儲能，如此反復。從以上電路分析可以看出， S 導通時，次級繞 組無電流； S 截止時，次級繞組有電流，這就是 “ 反激 ” 的含義。 所謂反激式變壓器開關電源，是指當變壓器的初級線圈正好被直流脈沖電壓激勵時，變壓器的次級線圈沒有向負載提供功率輸出，而僅在變壓器初級線圈的激勵電壓被關斷后才向負載提供功率輸出，這種變壓器開關電源稱為反激式開關電源。 下圖是反激式變壓器開關電源的簡單工作原理圖： 圖 反激式變壓器開關電源原理圖 基于 UC3844 變頻器輔助電源的研究設計 10 圖中變壓器的初級繞組與次級繞組同名端相反， inU 為輸入直流電壓，開關 S 為功率開關管， C 為輸出濾波電容， R 為負載， L1i 為初級繞組電流， L2i為次級繞組 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撲簡單，輸入輸出電氣隔離，升 /降壓范圍廣，多路輸出負載自動均衡等優(yōu)點，廣泛用于多路輸出的機內(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。功率管導通時，電感電流變化率和電流峰值很大，生成功率開關管開通時的電流尖峰；當功率管關斷時，也會產(chǎn)生很高的關斷電壓尖峰，給功率管造成很大負擔，會損壞功率管。因此，要想法設法限制反激變換器功率開關電流尖峰和電壓尖峰。反激變換器具有容易進行多路隔離輸出、輸入輸出電氣全部隔離、簡單有效、高可靠性的優(yōu)點。因此，反激變換器是對開關電源來說非常重要 ,電力電 子技術研究人員對此進行了大量的研究。 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，反激式變壓器的設計，就是對所有的工作器件做一個合理的安排和規(guī)劃，參數(shù)計算要尊重事實規(guī)律和理論。