【正文】 如果輸出值大于設(shè)定值，則通過(guò)相應(yīng)的軟件算法調(diào)低占空比，使輸出電壓在一定的誤差范圍內(nèi)穩(wěn)定在設(shè)定值；如果輸出電壓值小于設(shè)定值，則調(diào)大占空比。將式 稍做修改即可得到增量式 PID 控制算法，增量式 PID 算法跟全量式 PID 算法相比計(jì)算量大大減小，又能達(dá)到本設(shè)計(jì)的要求，因此，本設(shè)計(jì)采用增量式 PID 算法： ? ?1 1 1 22Di i i p i i i i i iI TTu u u K e e e e e eTT? ? ? ???? ? ? ? ? ? ? ? ?????… ………… （ ） 軟件流程圖 本設(shè)計(jì)的 PWM 波脈寬調(diào)制軟件如圖 所示。因此目前普及的只是 PID 控制。 PID 算法的實(shí)現(xiàn) （ 1）控制技術(shù)概述 湖南科技大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 24 PID 算法具有結(jié)構(gòu)較為簡(jiǎn)單、穩(wěn)定性與可靠性較高、調(diào)試方便等優(yōu)點(diǎn)，因此在各 圖 面積等效原理 種應(yīng)用領(lǐng)域內(nèi)得到廣泛應(yīng)用，特別是結(jié)合微處理器， PID 控制算法能夠得到很好的實(shí)現(xiàn)。圖中 Tpi和 Tgi分別為開(kāi)關(guān)管的關(guān)斷與導(dǎo)通時(shí)間。該方法不論在采樣時(shí)刻正弦與三角載波是不是相交，這雖會(huì)帶來(lái)一點(diǎn)誤差，但可以控制在可行范圍內(nèi)。但是由于軟件確定開(kāi)關(guān)時(shí)刻需要求解超越方程，并且需要進(jìn)行多次三角函數(shù)及乘法運(yùn)算，這給實(shí)時(shí)控制帶來(lái)麻煩，該方法一般只用與模擬電路的產(chǎn)生。常用的產(chǎn)生 SPWM 波形的軟件設(shè)計(jì)方法有： （ 1）自然采樣法，該方法調(diào)制信號(hào)是正弦波，調(diào)制信號(hào)與等腰三角形載波相比較，在自然交點(diǎn)處控制開(kāi)關(guān)管的導(dǎo)通與關(guān)斷。但這些方法與微機(jī)控制技術(shù)相比具有外圍電路復(fù)雜、調(diào)試不方便等缺點(diǎn)。 脈寬調(diào)制的實(shí)現(xiàn) 最初的脈寬控制技術(shù)是基于模擬電路，將載波與控制信號(hào)送到比較器進(jìn)行比較而實(shí)現(xiàn)的。 湖南科技大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 22 本章小結(jié) 在高頻開(kāi)關(guān)電源的設(shè)計(jì)中主要的難點(diǎn)是系統(tǒng)中各主要磁性元件的選擇，這也是本章中就系統(tǒng)設(shè)計(jì)解決的主要問(wèn)題，本章主要完成了 AP法設(shè)計(jì)高頻變壓器及按要求完成了輸入級(jí)和輸出級(jí)的設(shè)計(jì)、開(kāi)關(guān)管的設(shè)計(jì)和驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì) 等 。 P 1. 01P 1. 23P 1. 12P 1. 34P 1. 45P 1. 56P 1. 67P 1. 78R S T9P 3. 0 /R X D10P 3. 1 /T X D11P 3. 2 /IN T 012P 3. 3 /IN T 113P 3. 4 /T 014P 3. 5 /T 115P 3. 616P 3. 717X T A L 218X T A L 119GND20V C C40P 0. 039P 0. 138P 0. 237P 0. 336P 0. 435P 0. 534P 0. 633P 0. 732/E A31A L E30/P S E N29P 2. 728P 2. 627P 2. 526P 2. 425P 2. 324P 2. 223P 2. 122P 2. 021U4 S T C 8 9 C 51 V C CC 1 21 0U FC 1 43 0PC 1 33 0PR 1 01 0KV C CIN 025IN 124IN 2IN 323IN 422IN 521IN 620IN 719V R E F +18V R E F 17C L K1C2B3A4D05D16D27D38D49D510D611S T A R T13A L E14OE15E O C16D712U 2 2A D C 08 0 9R91KSV C CSTE O COESTE O COEP 2. 6P 2. 7Y11 2MP 2. 2P 2. 1P 2. 0P 3. 0P 3. 1P 3. 2P 3. 3P 3. 4P 3. 5P 3. 6P 3. 7C L KC L K 圖 ADC0809 與單片機(jī)的接線圖。 VREF+： 表示 參考電壓的輸入線，通常情況下 VREF+≤VCC。 VCC： 表示 主電源 +5V。 EOC： 表示 轉(zhuǎn)換結(jié)束信號(hào)的輸出線，在轉(zhuǎn)換結(jié)束后 EOC 則輸出一個(gè)寬為 8 各 CLK周期的正脈沖。 CLOCK：表示 轉(zhuǎn)換時(shí)鐘輸入線， CLOCK 的頻率范圍為 10kHz～ 1200kHz，一般情況下取 640kHz（此時(shí)的轉(zhuǎn)換速度為 100us）。 A、 B、 C：表示 模擬通道選擇線。 ADC0809 的各個(gè)引腳功能介紹如下所示 [12]： IN0～ IN7： 表示 8 路模擬量輸入線。 圖 光電耦合隔離電路 A/D 轉(zhuǎn)換模塊 湖南科技大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 21 本設(shè)計(jì)采用 ADC0809 芯片作為模數(shù)轉(zhuǎn)換器，將采樣回來(lái)的模擬信號(hào) 轉(zhuǎn)化成數(shù)字信號(hào)再輸入到單片機(jī)中進(jìn)行處理。高壓側(cè)輸出電流平均值應(yīng)當(dāng)小于 8mA，因此在 VCC 接 +12V 電壓的情況下， GND 極需要接一個(gè) 2k歐的電阻用來(lái)限流。 Nc8VDD9H IN10SD11L IN12V s s13Nc14Ho7Vb6Vs5Nc4V c c3C O M2Lo1IR 2 1 1 0CCVDDV C CRRV 圖 IR2110 原理圖 由于驅(qū)動(dòng)電路與主電路共地，且對(duì)于控制電路來(lái)說(shuō)主電路是強(qiáng)電，會(huì)影響控制系統(tǒng)的性能，為了防止強(qiáng)電對(duì)控制系統(tǒng)的干擾，因此必須在驅(qū)動(dòng)中設(shè)置隔離電路。 如圖 為 IR2110 芯片的電路圖，其中 VDD和 VSS分別連接芯片的邏輯輸入電源和湖南科技大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 20 地， HIN、 LIN 和 SD 是邏輯電平輸入。 本設(shè)計(jì)采用 IR 公司生產(chǎn)的 IR2110 驅(qū)動(dòng)芯片來(lái)驅(qū)動(dòng)功率 MOSFET， IR2110 是雙通道、柵極驅(qū)動(dòng)、高速高壓、單片式集成的功率驅(qū)動(dòng)模塊，它的體積?。ǚ庋b形式為 DIP14）、集成度高、響應(yīng)很快（小于 200ns ）、隔離電壓較高（達(dá)到 500V ）、驅(qū)動(dòng)能力較強(qiáng)、外部保護(hù)封鎖口 [8]。 （ 2）保證驅(qū)動(dòng)電路的波形，以避免出現(xiàn)振蕩。然而，在高頻的交替導(dǎo)通和關(guān)斷時(shí)就需要一個(gè)動(dòng)態(tài)的驅(qū)動(dòng)功率，而單片機(jī)的輸出端無(wú)法滿足此要求 [10]。對(duì)于正激式變換器，紋波的典型值是 50 mV (峰峰值 )，而對(duì)于升壓式變換器中， 200mV 的峰峰值則是比較典型的，本設(shè)計(jì)的紋波要求 1V ， 公式表達(dá)為： ( m a x ) m in( m in ) (1 )outoutrippleIC fV ??? …………………………………………… （ ） 式中 outI 為輸出端的額定電 流值，單位為 A ， min? 為在高輸入電壓輕載條件下所估計(jì)的占空比 (估計(jì)值為 0． 5是比較合理的 )， rippleV 是期望的輸出電壓紋波峰峰值，單位為 V 。 湖南科技大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 19 表 典型頻率的 ? 值 sf 50Hz 10kHz 100kHz 1MHz ? /cm 輸出濾波電容的設(shè)計(jì) 正激式和升壓式輸出級(jí)的輸出濾波電容的計(jì)算式是相同的，它可以近似地由所輸出紋波電壓峰值決定。 maxuD ∕ minuD = iU max∕ iU min= 220 ?? = 已知 maxuD =，可以得出 uD min=∕= offT =（ 1 uD min） Ts=100us =63us ………………………… （ ） 由 fL 的計(jì)算公式（ ofUU? ） offT ／ Lfi? =(60+)63106／ 4= （ 2）導(dǎo)線直徑的選擇： 考慮到集膚效應(yīng)的影響，導(dǎo)線的直徑應(yīng)當(dāng)做到小于 2? ， ? 為滲透深度（ Peration depth）（ cm ）。 表 按集膚效應(yīng)選擇導(dǎo)線直徑 (kHz)sf 10 20 50 100 200 (mm)d 輸出級(jí)的設(shè)計(jì) 輸出濾波電感的設(shè)計(jì) （ 1）電感值的確定 正激式開(kāi)關(guān)電源中的輸出濾波電感的作用是減小負(fù)載電流波動(dòng)，本設(shè)計(jì)中正激式轉(zhuǎn)換器工作在電流連續(xù)模 式下，電感電流可以近似為三角波，其平均值為 LfI ，最大值為L(zhǎng)fmi ，最小值為 Lfni ， Lfi? = Lfmi Lfni 。在越靠近導(dǎo)線的中心位置，電流密度就越小，在導(dǎo)線的表面電流密度較大，這就使導(dǎo)線的等效導(dǎo)電截面積減小了，導(dǎo)致功率損耗的增大。 取 wK = fK =（ 正弦波 ） wB = sf =40kHz 由表 34 查得 C 型磁心的 jK =468， X =, 用式 計(jì)算 14110 XTwc W f s W jPAAK K f B K????? ????= 14 1 330 00 40 10 46 8 ??????? ? ? ? ? ??? =24 4cm 匝數(shù)及繞組導(dǎo)線直徑的確定 （ 1）確定原邊繞組數(shù)，計(jì)算原邊繞組公式 [13]： 410ii f s w cUN K f B A??…………………………………………………… （ ） 查得 375EI的磁心的 Ac值為 ，再代入其他參數(shù)得： 410ii f s w cUN K f B A?? = 432 2 0 1 04 .0 1 0 1 0 0 .3 1 0 .8 9?? ? ? ?=89 （ 2）根據(jù)原邊匝數(shù)計(jì)算副邊匝數(shù)： sN = o i sinonUNTUt = 60 15220 ?? =54 （ 3）導(dǎo)線直徑的確定 由于集膚效應(yīng)限制，對(duì)最大漆包線的直徑和截面積有一定的要求。它由導(dǎo)線截面積、匝數(shù)、層數(shù)、絕緣漆厚度及線圈紋距等綜合因素決定的。在確定 CWAA? 的值時(shí)需要確定 wK 、 fK 、 jK 的值。 視在功率 PT的確定 湖南科技大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 16 變壓器的視在功率 PT 隨轉(zhuǎn)換器主電路結(jié)構(gòu)的不同而有不同的表達(dá)式。 （ 3）應(yīng)當(dāng)考慮到合閘時(shí)的沖擊，若 Bw 大于 Bs ，在合閘的第一個(gè)周期會(huì)產(chǎn)生大的 B和勵(lì)磁電流的沖擊。 （ 2） 當(dāng)頻率達(dá)到一定的范圍以上時(shí)，由高頻變化的 Bw 引起的鐵心損耗較大，發(fā)熱也嚴(yán)重。本設(shè)計(jì)根據(jù)電源的工作頻率選擇鎳鋅鐵氧體材質(zhì)的鐵心，允許溫升為 50攝氏度，各磁心的結(jié)構(gòu)參數(shù)如表 ，其次，在選擇磁心時(shí)也要考慮磁通密度Bm 。但是實(shí)際 應(yīng)用中有價(jià)格等因素的考慮，除了用在溫度高和沖擊、振動(dòng)大的地方，需要采用合金材料磁 心 外，一般情況下變壓器磁 心 還是以鐵氧體為主。但是由于它的磁導(dǎo)率通常比較低，所以需要的磁化電流較大。本設(shè)計(jì)采用 AP 法進(jìn)行設(shè)計(jì)。 （ 3）把次級(jí)繞組繞在初級(jí)繞組的中間，或把次級(jí)繞組繞在初級(jí)繞組的外部，使得初次級(jí)繞組緊密耦合。 （ 2）采用細(xì)長(zhǎng)型的繞組設(shè)計(jì)方法，以達(dá)到減少漏感的目的。漏感是磁性元件中的一種寄生電感，一般情況下應(yīng)當(dāng)比勵(lì)磁電感小很多。高頻變壓器是轉(zhuǎn)換器中的核心元件，變壓器使得轉(zhuǎn)換器的輸入與輸出之間電氣隔離，可以湖南科技大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 15 實(shí)現(xiàn)升壓和降壓，也可以方便的實(shí)現(xiàn)多路輸出。 變壓器的設(shè)計(jì) 變壓器是一種利用互 感耦合的電感器件，它由磁 心 和繞組組成，磁 心 起導(dǎo)磁作用，磁心的較高的導(dǎo)磁率提高了變壓器的電性能，變壓器的初級(jí)繞組接輸入端的，初級(jí)繞組起到激磁和從輸入端獲取電能的作用，并通過(guò)它將輸入的電能轉(zhuǎn)換為磁場(chǎng)能的形態(tài)。在開(kāi)關(guān)管 V 關(guān)斷時(shí)，負(fù)載中的電流通過(guò) VDs 向電容 Cs 進(jìn)行分流，從而減小了開(kāi)關(guān)管 V 的負(fù)擔(dān)，抑制了 dudt 和過(guò)電壓。而在有緩沖電路的情況下， V 開(kāi)通時(shí)，由于有緩沖電容的存在，緩沖電容 Cs 先通過(guò) Rs 向開(kāi) 關(guān)管放電，此時(shí)電流 i 先上升一段，后因 didt 抑制電路的作用， i 的上升速度開(kāi)始減慢。 （ 3）開(kāi)關(guān)管的緩沖電路設(shè)計(jì) 緩沖電路即吸收電路如圖 所示，它的作用是抑制電力電子器件過(guò)壓、 dudt 過(guò)大、或者過(guò)電流和 didt 過(guò)大，以達(dá)到減少開(kāi)關(guān)器件的損耗的目的。 CI =12= 為了提高可靠性及考慮到在調(diào)整電感量大小時(shí)電流有可能失控，因此在實(shí)際選定管子電流容 量時(shí)應(yīng)當(dāng)留有一定的裕量。 圖 N 溝道增強(qiáng)型 MOSFET 結(jié)構(gòu) 參數(shù)計(jì)算及型號(hào)選擇 （ 1） 開(kāi)關(guān)晶體管的電流定額 通常在較大電流的情況下，應(yīng)該選擇具有大電流增益和飽和特性較好的晶體管作為功率開(kāi)關(guān)管 。因此，此時(shí)若有漏源電壓，則會(huì)有漏極電流產(chǎn)生。功率 MOSFET 是有大量細(xì)小的元包并聯(lián)組成的，采用垂直導(dǎo)電溝道可以減小通態(tài)電阻，源漏極在溝道兩湖南科技大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 13 側(cè)擴(kuò)散而成，柵極與溝道之間用二氧化硅進(jìn)行 絕緣。漏極