【導(dǎo)讀】小也直接影響到電子設(shè)備整體的體積。本設(shè)計(jì)根據(jù)設(shè)計(jì)任務(wù)進(jìn)行了方案設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)了相應(yīng)的硬件電路，研制了。整個(gè)系統(tǒng)包括主電路、控制電路和驅(qū)動(dòng)電路三部分內(nèi)容。整流、半橋式逆變、高頻交流輸出，輸出整流、輸出濾波幾部分。本設(shè)計(jì)中采用的芯片主要是PWM控制芯片SG3525A、光電耦合芯片PG817和半橋驅(qū)動(dòng)芯片IR2110。中充分利用了SG3525A的控制性能，具有寬的可調(diào)工作頻率，死區(qū)時(shí)間可調(diào)，具有輸入欠電壓鎖定功能和雙路輸出。介紹了開關(guān)電源的相關(guān)知識(shí)，從開關(guān)電源的工作原理，組成，特點(diǎn)等方面進(jìn)行闡述，把開關(guān)電源的分類，主。要技術(shù)指標(biāo)，典型結(jié)構(gòu)，技術(shù)要點(diǎn)及其開關(guān)器件進(jìn)行了系統(tǒng)的說明，同時(shí)在基于PWM技術(shù)的基礎(chǔ)上。器、PWM控制及驅(qū)動(dòng)電路等模塊，設(shè)計(jì)了一臺(tái)功率為150W、輸出電壓為+15V的半橋式開關(guān)穩(wěn)壓電源，并給出了具體。導(dǎo)下進(jìn)行的研究工作及取得的成果。明并表示了謝意。的個(gè)人和集體，均已在文中以明確方式標(biāo)明。本人完全意識(shí)到本聲明的法。律后果由本人承擔(dān)。涉密論文按學(xué)校規(guī)定處理。

　　

【正文】 一般使用應(yīng)用較多的公用載波信號(hào)。在其輸出線電壓中，所包含的諧波角頻率為 ?? rk? ， （ 16） 式中， 1,3,5,n? ??? 時(shí)， ? ?3 2 1 1, 1, 2 , 。k m m? ? ? ? ??? 2,4,6,n? ??? 時(shí) ， 6 1 0 ,1,6 1 1, 2 ,mmk ? ? ????? ? ? ? ???? PWM 波中不含有低次諧波。但在實(shí)際電路中 ，由于采樣時(shí)刻的誤差以及為避免同一上下橋臂直通而設(shè)置的電壓死區(qū)的影響，諧波的分布情況將更為復(fù)雜。一般來說，實(shí)際電路中的諧波含量比理想條件下要多一些，甚至還會(huì)出現(xiàn)少量的低次諧波。從以上分析中可以看出， SPWM波形中所含的諧波主要是角頻率為 c? 、 2c? 及其附近的諧波。一般情況下 cr???? ， 所以 PWM 波形中所含的主要諧波的頻率要比基波頻率高得很多，是很容易濾除的。載波頻率越高， SPWM波形中諧波頻率就越高，所需濾波器的體積就越小。另外，一般的濾波器都有一定的帶寬，如按載波頻率設(shè)計(jì)濾波器，載波附近的諧波也可濾除。如濾波器設(shè)計(jì)為高通濾波器，且按載波角頻率 c? 來設(shè)計(jì)，那么角頻率為 2c? 、3c? 等及其附近的諧波也就同時(shí)被濾除了。 PWM 跟蹤控制技術(shù) 前面重點(diǎn)介紹了 PWM 波形生成方法，調(diào)制法，還有第三種方法，即跟蹤控制方法。這種方法不是用信號(hào)波對(duì)載波進(jìn)行調(diào)制，而是把希望輸出的電流或電壓波形作為指令信號(hào)，把實(shí)際電流或電壓波形作為反饋信號(hào)，通過兩者的瞬時(shí)值比較來決定逆變電路各功率開關(guān)器件的通斷，使實(shí)際的輸出跟蹤指令信號(hào)變化。因此，這種控制方法稱為跟蹤控制法。跟蹤控制法中有滯環(huán)比較方式和三角波比較方式。 （ 1） 滯環(huán)比較方式 跟蹤型 PWM 變流電路中，電流跟蹤控制應(yīng)用最多。 滯環(huán)比較方式是把指令電流 i? 和實(shí)際輸出電流 i 的偏差 ii?? 作為帶有滯環(huán)特性的比較器的輸入，通過其輸出來控制功率器件 V1和 V2的通斷。采用滯環(huán)比較方式的電流跟蹤型 PWM交流電路有如下特點(diǎn)： ① 硬件電路簡(jiǎn)單； ② 屬于實(shí)時(shí)控制方式，電流響應(yīng)快； ③ 不用載波，輸出電壓波形中不含特定 頻率的諧波分量； ④ 和計(jì)算法及調(diào)制法相比，相同開關(guān)頻率時(shí)輸出電流中高次諧波含量 ⑤ 屬于閉環(huán)控制，這是各種跟蹤型 PWM變流電路的共同特點(diǎn)。 采用滯環(huán)比較方式也可以實(shí)現(xiàn)電壓跟蹤控制，把指令電壓和半橋逆變電路的輸出電壓進(jìn)行比較，通過濾波器濾除偏差信號(hào)中的諧波分量，濾波器的輸出送入滯環(huán)比較器，由比較器的輸出控制主電陜西理工學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì) 第 26 頁(yè) 共 46 頁(yè) 路開關(guān)器件的通斷，從而實(shí)現(xiàn)電壓跟蹤控制。和電流跟蹤控制相比，只是把指令信號(hào)和反饋信號(hào)從電流變?yōu)殡妷?。另外，因輸出電壓?PWM 波形，其中含有大量的高次諧波，故必須用適當(dāng)?shù)臑V波器濾除。 （ 2） 三角波比較方 式 和前面的調(diào)制法不同的是，這里并不是把指令信號(hào)和三角波直接進(jìn)行比較而產(chǎn)生 PWM 波形，而是通過閉環(huán)來進(jìn)行控制的。把指令電流 Ui? 、Vi?和Wi?和逆變電路實(shí)際輸出的電流 Ui 、 Vi 和 Wi 進(jìn)行比較，求出偏差電流，通過放大器放大后，再去和三角波進(jìn)行比較，產(chǎn)生 PWM 波形。放大器通常具有比例積分特性或比例特性，其系數(shù)直接影響著逆變電路的電流跟蹤特性。在這種三角波比較控制方式中，功率開關(guān)器件的開關(guān)頻率是一定的，即等于載波頻率，這給高頻濾波器的設(shè)計(jì)帶來方便。為了改善輸出電壓波形，三角波載波常用三相三角波信號(hào)。和滯環(huán)比較控制方式相比，這種控制方式輸出電流所含的諧波少，因此常用于對(duì)諧波和噪聲要求嚴(yán)格的場(chǎng)合。 PWM 整流電路及其控制方法 目 前在各個(gè)領(lǐng)域?qū)嶋H應(yīng)用的整流電路幾乎都是晶閘管相控整流電路或二極管整流電路。晶閘管相控整流電路的輸入電流滯后于電壓，其滯后角隨著觸發(fā)延遲角 α 的增大而增大，位移因數(shù)也隨之降低。同時(shí)，輸入電流中諧波分量也相當(dāng)大，因此功率因數(shù)很低。如前所述， PWM 控制技術(shù)首先是在直流斬波電路和逆變電路中發(fā)展起來的。隨著以 IGBT為代表的全控型器件的不斷進(jìn)步，在逆變電路中采用的 PWM控制技術(shù)已相當(dāng)成熟。 SPWM控制技術(shù)已在交流調(diào)速用變頻器和不間斷電源中獲得了廣泛的應(yīng)用。把逆變電路中的 SPWM控制技術(shù)用于整流電路，就形成了 PWM整流電 路。通過對(duì) PWM整流電路的適當(dāng)控制，可以使其輸入電流非常接近正弦波，且和輸入電壓同相位，功率因數(shù)近似為 1。這種整流電路也可以成為單位功率因數(shù)變流器，或高功率因數(shù)整流器。 和逆變電路相同， PWM整流電路也可分為電壓型和電流型兩大類。目前應(yīng)用較多的是電壓型 PWM整流電路，因此設(shè)計(jì)中應(yīng)用電壓型的電路。以單相全橋電路為例說明 PWM 整流電路的工作原理。由SPWM 逆變電路的工作原理可知，按照正弦信號(hào)波和三角波相比較的方法對(duì)圖 116 中的 V1～ V4進(jìn)行SPWM控制，就可以在橋的交流輸入端 AB產(chǎn)生一個(gè) SPWM波 uAB ,uAB中含有和正弦信號(hào)波同頻率且幅值成比例的基波分量，以及和三角波載波有關(guān)的頻率很高的諧波，而不含有低次諧波。由于電感 Ls的濾波作用，高次諧波電壓只會(huì)使交流電流 is產(chǎn)生很小的脈動(dòng)，可以忽略。這樣，當(dāng)正弦信號(hào)波的頻率和電源頻率相同時(shí)， is 也為與電源頻率相同的正弦波。在交流電源電壓 us一定的情況下， is的幅值和相位僅由 uAB中基波分量 uAbf的幅值及其與 us的相位差來決定。改變 uAbf的幅值和相位，就可以使 is和 us同相位、反相位， is比 us超前 90176。 ，或使 is與 us的相位差為所需要的角度。 圖 的相量圖說明了這 幾種情況，圖中 sU? 、 LU? 、 RU? 和 sI? 分別為交流電源電壓 us、電感 Ls上的電壓 uL、 電阻Rs上的電壓 uR以及交流電流 is的相量， ABU? 為 uAB的相量。圖 a中， ABU? 滯后 sU? 的相角為 δ ， sI? 和sU? 完全同相位，電路工作在整流狀態(tài)，且功率因數(shù)為 1。這就是 PWM整流電路最基本的工作狀態(tài)。圖 b中 ABU? 超前 sU? 的相角為 δ ， sI? 和 sU? 的相位正好相反，電路工作在逆變狀態(tài)。這說明 PWM整流電路可以實(shí)現(xiàn)能量正反兩個(gè)方向的流動(dòng)，即既可以運(yùn)行在整流狀態(tài)，從交流側(cè)向直流側(cè)輸送能量；也可以運(yùn)行在逆變狀態(tài)，從直流側(cè)向交流側(cè)輸送能量。而且，這兩種方式都可以 在單位功率因數(shù)下運(yùn)行。這一特點(diǎn)對(duì)于需要再生制動(dòng)運(yùn)行的交流電動(dòng)機(jī)調(diào)速系統(tǒng)是很重要的。圖 c 中 ABU? 滯后 sU? 的相角為δ， sI? 超前 sU? 90176。，電路在向交流電源送出無功功率，這時(shí)的電路被稱為靜止無功功率發(fā)生器（ SVG） ,一般不再稱之為 PWM整流電路了。在圖 d的情況下，通過對(duì) ABU? 幅值和相位的控制，陜西理工學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì) 第 27 頁(yè) 共 46 頁(yè) 可以使 sI? 比 sU? 超前或滯后任一角度φ。 負(fù)載ABLsRsV1+udisV2V4 V D1 V D3 V D2 V D4Us 圖 單相全橋電路 ?δIs?Us?UL?URUA B?a ) δIsUA BULURUsb )IsUsULURUA BIsφUsULURUA Bδc )d )??????????????? 圖 PWM 整流電路的運(yùn)行方式相量圖 a) 整流運(yùn)行 b) 逆變運(yùn)行 c) 無功補(bǔ)償運(yùn)行 d) ?s 超前角為 φ 三相 PWM整流電路： 圖 是三相橋式 PWM 整流電路，這是最基本的 PWM 整流電路之一，其應(yīng)用也最為廣泛。圖中 LS、 RS含義和圖 的單相全橋 PWM 整流電路完全相同。電路的工作原理也和前述的單相全橋電路相似，只是從單相擴(kuò)展到三相。對(duì)電路進(jìn)行 SPWM控制，在橋的交流輸入端 A、 B和 C可得到 SPWM電壓，對(duì)各相電壓按圖 制，就可以使各相電流 ia、 ib 、 ic為正弦波且和電壓相位相同，功率因數(shù)近似為 1。和單相電路相同，該電路也可以工作在圖 117 的逆變運(yùn)行狀態(tài)及圖 c或 d的狀態(tài)。 負(fù)載ABCLsRsV1V3V5 V D1 V D3 V D5+CV4V6V2 V D4 V D6 V D2uduaubuciaibic 圖 三相橋式 PWM 整流電路 陜西理工學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì) 第 28 頁(yè) 共 46 頁(yè) PWM整流電路的控制方法：為了使 PWM整流電路在工作時(shí)功率因數(shù)近似為 1，即要求輸入電流為正弦波且和電壓同相位，可以有多種控制方法。根據(jù)有沒有引入電流反饋可以將這些控制方法分為兩種，沒有引入交流電流反饋的稱為間接電流控制，引入 交流電流反饋的稱為直接電流控制。 （ 1）間接電流控制 間接電流控制也稱為相位和幅值控制。這種方法就是按照?qǐng)D 輸入端電壓，使得輸入電流和電壓同相位，從而得到功率因數(shù)為 1的控制效果。圖 119為間接電流控制的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖，圖中的 PWM整流電路為圖 的三相橋式電路。控制系統(tǒng)的閉環(huán)式整流器直流側(cè)電壓控制環(huán)。直流電壓給定信號(hào) du? 和實(shí)際的直流電壓 ud比較后送入 PI調(diào)節(jié)器， PI調(diào)節(jié)器的輸出為一直流電流指令信號(hào) id， id的大小和整流器交流輸入電流的幅值成正比。穩(wěn)態(tài)時(shí)， du =du? ， PI調(diào)節(jié)器輸入為零， PI調(diào)節(jié)器的輸出 id和整流器負(fù)載電流大小相對(duì)應(yīng)，也和整流器交流輸入電流的幅值相對(duì)應(yīng)。當(dāng)負(fù)載電流增大時(shí)，直流側(cè)電容 C放電而使其電壓 ud下降， PI調(diào)節(jié)器的輸入端出現(xiàn)正偏差，使其輸出 id增大， id的增大會(huì)使整流器的交流輸入電流增大，也使直流側(cè)電壓 ud回升。達(dá)到穩(wěn)定時(shí)，ud仍 和 du? 相等， PI調(diào)節(jié)器輸入仍恢復(fù)到零，而 id則穩(wěn)定在新的較大的值，與較大的負(fù)載電流和較大的交流輸入電流相對(duì)應(yīng)。當(dāng)負(fù)載電流減小時(shí)，調(diào)節(jié)過程和上述過程相反。若整流器要從整流運(yùn)行變?yōu)槟孀冞\(yùn)行時(shí)，首先是負(fù)載電流反向而向直流側(cè)電容 C充電，使 ud抬高， PI調(diào)節(jié)器出現(xiàn)負(fù)偏差，其輸出 id減小后變?yōu)樨?fù)值，使交流輸入電流相位和電壓相位反相，實(shí)現(xiàn)逆變運(yùn)行。達(dá)到穩(wěn)定時(shí)， du 和du? 仍然相等， PI調(diào)節(jié)器輸入恢復(fù)到零，其輸出 id為負(fù)值，并與逆變電流的大小相對(duì)應(yīng)。 控制系統(tǒng)中其余部分的工作原理。圖中兩個(gè)乘法器均為三相乘法器的簡(jiǎn)單表示，實(shí)際上兩者均由三個(gè)單相乘法器組成。上面的乘法器是 id分別乘以和 a、 b、 c三相相電壓同相位的正弦信號(hào)，再乘以電阻 R，就可得到各相電流在 Rs上的壓降 uRa、 uRb、 uRc；下面的乘法器是 id分別乘以比 a、 b、c三相相電壓相位超前 π /2的余弦信號(hào)，再乘以電感 L的感抗，就可得到各相電流 在電感 Ls上的壓降 uLa、 uLb和 uLc。各相電源相電壓 ua 、 ub 、 uc分別減去前面求得的輸入電流在電阻 R 和電感 L上的壓降，就可得到所需要的整流橋交流輸入端各相的相電壓 uA、 uB和 uC的信號(hào)，用該信號(hào)對(duì)三角波載波進(jìn)行調(diào)制，得到 PWM開關(guān)信號(hào)去控制整流橋，就可以得到需要的控制效果。 +udu *dua, ub, uc{P IRXL負(fù) 載id++udRL三 角 波uR+uLs i n ( ω t + 2 k π / 3 )( k = 0 , 1 , 2 )c o s ( ω t + 2 k π / 3 )( k = 0 , 1 , 2 )uA , B , C 圖 間接電流控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu) 從控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及上述分析可以看出，這種控制方法在信號(hào)運(yùn)算過程中要用到電路參數(shù) Ls和 Rs。當(dāng) Ls和 Rs的運(yùn)算 值和實(shí)際值有誤差時(shí)，必然會(huì)影響到控制效果。此外，對(duì)照相量圖可以看出，這種控制方法是基于系統(tǒng)的靜態(tài)模型設(shè)計(jì)的，其動(dòng)態(tài)特性較差。因此，間接電流控制的系統(tǒng)應(yīng)用較少。 （ 2）直接電流控制 在這種控制方法中，通過運(yùn)算求出交流輸入電流指令值，再引入交流電流反饋，通過對(duì)交流電流的直接控制而使其跟蹤指令電流值，因此這種方法稱為直接電流控制。直接電流控制中有不同的電流跟蹤控制方法，圖 給出的是一種最常用的采用電流滯環(huán)比較方式的控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖。 陜西理工學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì) 第 29 頁(yè) 共 46 頁(yè) 圖 。其外環(huán)是直流電壓控制環(huán)，內(nèi)環(huán)是交流 電流控制環(huán)。外環(huán)的結(jié)構(gòu)、工作原理和圖 的間接電流控制系統(tǒng)相同，前面已進(jìn)行了詳細(xì)的分析。外環(huán) PI 調(diào)節(jié)器的輸出為直流電流信號(hào) di ,di 分別乘以和 a、 b、 c三相相電壓同相位的正弦信號(hào)，就得到三相交流電流的正弦指令信號(hào) ai? 、 bi? 和 ci? 。可以看出 ai? 、 bi? 和 ci? 分別和各自的電源電壓同相位，其幅值和反映負(fù)載電流大小的直流信號(hào) di 成正比，這正是整流器作單位功率因數(shù)運(yùn)行