技術分類： 電源技術 | 2010-07-27
現代電子技術許金星徐昌華
目前，空間技術、計算機、通訊、雷達及家電中的電源逐漸被開關電源所取代。現在一般應用的串聯調整穩壓電源是連續控制的線性穩壓電源。這種傳統的串聯穩壓器、調整管總是工作在放大區，流過的電流是連續的，這種穩壓器的缺點是承受過載和短路的能力差，效率低，一般只有35％～60％。
由於調整管要損耗較大的功率，所以需要採用大功率調整管，並裝有體積很大的散熱器。而開關電源的調整管工作在開關狀態，功率損耗小，效率可達70％～95％，穩壓器的體積小，重量輕，調整管的功率損耗較小，散熱器也隨之減小。此外，開關頻率工作在幾十khz，可用數值較小的濾波電感、電容元件，故可以大大提高允許的環境溫度。
l 電路組成及工作原理
開關式交流穩壓電源電路框圖如圖1所示。工作原理描述：由三角波發生電路產生150 khz的三角波，由低頻正弦波產生電路產生50 hz的正弦波。
兩個訊號分別同時送到比較器的同相和反相輸入端，在比較器的輸出端將產生矩形波。該矩形波的頻率與150 khz的三角波相同，該矩形波的脈衝寬度受50 hz正弦波實時幅度的調製後，隨50 hz正弦波實時幅度而變化，即已調製矩形波。將其送到高速電子開關中乙個輸入端，並經過一級反向器反向，送到高速電子開關的另外乙個輸入端。
市電整流濾波獲得的倍於輸入交流電壓(典型值約為311 v)的直流高電壓送到高速電子開關的電源輸入端。高速電子開關的兩個輸出端由兩個反向的輸入矩形波驅動，從約311 v直流電源取得能量後，分別經過一級短時間常數的lc濾波電路連線到高頻開關變壓器的初級。該lc濾波電路的作用是使進入高頻開關變壓器初級的矩形波脈衝拐角趨於圓滑，以降低其高頻諧波。
高頻開關變壓器的初、次級還起到對市電隔離的作用，高頻開關變壓器的次級獲得交變、拐角圓滑的矩形波電壓，經過多級長時間常數的lc濾波電路，將150 khz高頻訊號濾除，還原出50 hz正弦波的調製訊號。送到負載用於對負載供電。
電壓和電流取樣電路從負載上獲取電壓和電流訊號，分別送兩路a／d轉換器轉換，變成離散的數碼訊號。一方面用於通過微處理器處理後進行實時顯示；另一方面用於通過微處理器處理後送d／a轉換器變換為模擬量，經過光電隔離驅動電路來控制正弦波發生器的幅值，又經過比較器、反向器、高速電子開關、lc濾波、高頻開關變壓器、多級lc濾波等電路，用於控制負載上電壓或電流的穩定。電壓互感器的作用是從市電中獲得低諧波失真的標準正弦波，經由正弦波產生電路控制其幅值；鍵盤用於輸入準備向負載提供的電壓或電流值。
2 電路設計分析
2．1 可控正弦波產生電路
可控正弦波產生電路的電路圖如圖2所示。
正弦波的**採用直接從市電的220 v／50 hz的正弦波，利用電壓互感器變換成較低電壓的50hz正弦波(例如5 v)。該正弦波的諧波失真度取決於市電的諧波失真度和互感器的引數，其輸出幅度由d／a轉換器控制光電耦合器驅動電路實現，d／a轉換器輸出訊號控制光電耦合器導通程度，與分壓電阻分壓後產生交流和直流疊加的電壓，經電容隔離直流分量，僅保留交流分量送運算放大器進行若干倍的放大，產生隨d／a訊號幅度大小而控制的純淨交流訊號量。
d／a控制訊號產生的原則是：根據輸出到負載上的電壓或電流配合市電的電壓幅度大小進行綜合運算，由微處理器向d／a轉換器提供通過綜合運算的數字量，使得提供給負載的輸出電壓(或電流)趨於穩定。
2．2 脈衝寬度調製器
pwm產生電路由正弦波產生電路、三角波產生電路和比較器三個部分組成。三角波加到比較器的反向輸入端，正弦波加到比較器的同向輸入端，比較器輸出端產生受正弦波瞬時幅度而變化的脈衝寬度調製波。
圖3是電壓型pwm比較器的工作波形，輸入三角波接在比較器的反向輸入端，可控正弦波訊號送至比較器的同相輸入端，經放大後輸出pwm訊號。
2．3 高速電子開關
高速電子開關電路用於實現將pwm波功率放大，配合高頻電子變壓器和濾波電路，可實現對輸入訊號為受某訊號引數調製的矩形波，輸出訊號為還原出該引數的解調電路。其典型電路圖如圖4所示，是pwm經反相器出來的波形。整個電路由4個場效電晶體構成的橋式開關電路、高頻開關變壓器、多組lc濾波電路(圖中只畫出一組l3，c3)組成。
高頻開關變壓器tr還兼起市電隔離的作用。電路中，l1，c1和l2，c2組成濾波電路，用以使輸入到高頻開關變壓器初級的矩形波拐角變成「緩變」形狀，以使流經變壓器的諧波分量減小，降低干擾。
經過高頻開關變壓器次級感應到的電壓通過l3，c3(實際為多級lc，如**)的進一步濾波可以將pwm的高頻矩形波濾除，在負載上得到被還原的原調製波的正弦波形。如圖5所示。
圖5中還原出來的調製波實際上是有一定程度的鋸齒波成分，如果用數字儲存示波器儲存波形，然後區域性放大觀測可發現，如圖5中顯示了區域性放大後的鋸齒形狀，其鋸齒程度反映了訊號的失真度，與多級lc濾波器的效能引數有關。
2．4 微處理器
微處理器部分用於實現系統裝置的智慧型化，微處理器部分包括微處理器晶元、鍵盤、lcd顯示器、a／d和d／a轉換器，且適合於控制的微處理器晶元往往採用微控制器，而微控制器基本上都包含有i／o介面電路、rom，ram、定時器和中斷系統，因此這些部件基本上都不需要擴充套件。
軟體部分的設計包括a／d轉換器、d／a轉換器、lcd顯示器、鍵盤系統等功能的子程式，還包含系統監控程式和各種中斷服務程式等，其系統監控程式流程圖如圖6所示。
3 結語
在此介紹的開關式交流穩壓電源是一種較為先進的交流電源設計方案。隨著時代的快速發展，開關電源的整合化與小型化正在變為現實，目前正在研製開發開關與控制電路整合於同一晶元的整合模組。然而，把功率開關與控制電路，包括反饋電路都整合於同一晶元上，必須解決電氣隔離與熱絕緣的問題，這將是今後的一大研究課題
pwm逆變器式交流穩壓電源的原理分析
技術分類： 電源技術 | 2009-08-13
1引言現有兩種無觸點補償式交流穩壓電源在取代三相柱式交流電力穩壓器。一種是變壓器補償式穩壓器，其原理是用多個補償變壓器組合，通過「多全橋」變換電路，切換補償變壓器的初級頭、尾連線方式進行補償，去掉了機械傳動和觸點，提高了壽命和動態效能。補償是有級的，而且所需的補償變壓器和切換開關較多，電路相對複雜，補償精度低。
另一種是pw m開關式交流穩壓器，其原理是從輸入側取得工頻交流電壓，經過整流、正激高頻pwm變換、相位跟蹤和轉換產生交流補償電壓進行補償，補償是無級的，補償精度高，響應速度快。但電路複雜，還需要乙個固定的逆補償變壓器，不易實現大功率應用。我曾介紹過的pwm斬波器式交流穩壓電源很好地克服了上述缺點，是一種很有發展前途的交流穩壓技術，但其存在著只能穩壓，不能消除市電電壓中諧波成分的缺點。
為了擴大交流穩壓電源的功能，我們又開發研製了利用pwm高頻逆變器進行補償的多功能交流穩壓電源，這種穩壓電源具有使用者電力綜合調節器（custompower)的功能，使穩壓電源的效能又上了乙個台階。
2 採用pwm高頻逆變器的補償式交流穩壓電源
採用pwm高頻逆變器的補償式交流穩壓電源的原理電路如圖1所示。其中補償電壓uco由單相全橋逆變器產生（也可以採用半橋式或推挽式逆變器），逆變器採用高頻spwm調製。單相全橋逆變器的輸出電壓uab通過輸出變壓器tr，把電壓uab變成補償電壓uco在tr的次級輸出。
tr的次級串聯在主電路中以對市電電壓的變化進行補償，保持輸出電壓uo穩定不變。圖中lfcf為低通濾波器，以濾掉逆變器輸出電壓uab中的高次諧波。變壓器tr次級繞組的電阻和漏感以及市電電源內阻共同組成線路阻抗z，則當負載變化時在z上產生的壓降會使輸出電壓隨之變化。
ur為用正弦電壓發生器和鎖相環產生的標準參考電壓，鎖相環是使ur在相位上與市電電壓us同步。用瞬時值us zis ur作為spwm全橋逆變器控制電路中的調製電壓，控制電路的原理框圖如圖2所示。按此圖的高頻spwm調製原理，當用（us zis ur）作為正弦調製波時，就可以使逆變器的輸出電壓與市電電壓的變化和負載電壓的變化成比例。
圖1採用逆變器補償的交流穩壓電路
圖2 控制電路原理框圖
2 1逆變器輸出電壓的諧波分析
假定逆變器的直流電源電壓為ud，載波三角波的電壓幅值為uc，則調製比m的值為：m=（1）
式中：us、is、ur為市電電壓us，市電電流is和基準參考電壓ur的有效值。載波比：n=，fc為三角波頻率，fs為市電電壓頻率。
spwm波形如圖3所示。由此圖可知，逆變器輸出電壓uab的雙重付里葉級數表示為：
uab=ua－ub=mudsinωt＋·co**π·sin〔(mn＋n)ωt〕(2)
圖3參差相位法獲得三階spwm波
因為變壓器tr的變比為ξ，故補償電壓uco的表示式為：
uco=ξmudsinωt＋ξ·co**π·sin〔(mn＋n)ωt〕(3)
uco的頻譜如圖4所示，可知：載波比n越大，諧波頻率越高，濾波越容易，所需的lfcf的值越小，當fc=12.8khz時，lf=10mh，cf=2μf，即可將uco中的高次諧波濾掉。
圖4補償電壓uco的頻譜和諧波分量與m的關係
2 考慮線路阻抗z的補償分析
由於逆變器開關管的正向壓降，開關死區、變壓器tr初級繞組的電阻及漏感和交流濾波電感lf的繞組電阻及電感的影響，會使補償電壓uco的值減小。但這種影響不大，而且是基本固定的，與負載的大小變化關係不大，因此可以通過增大變壓器tr的變比ξ來補償。
由圖1考慮到線路阻抗z時，在us>ur的情況下輸出電壓的方程式為：
uo=us－zis－uco(4)
假定市電電壓中無諧波，市電輸入功率因數cosφ=1，則：us=ussinωt,is=issinωt，將方程式（3）uco的值以及us、is的值代入式（4）得：
uo=ussinωt－zissinωt－ξmudsinωt－co**π·sin〔(mn＋n)ωt〕(5)
用電路中低通濾波器lfcf濾掉uco中的高次諧波時，則上式變為：
uo=ussinωt－zissinωt－ξmudsinωt（6）
將式（1）的m值及ξ=代入式（6），則得：
uo=ussinωt－zissinωt－(us－zis－ur)·sinωt=ursinωt
圖5所示spwm高頻逆變器式交流穩壓電源有六種工作狀態：
us>ur＋zis，此時uco=us－zis－ur，輸出電壓uo=us－(us－zis－ur)－zis=ur
us us=ur，此時uco=－zis，輸出電壓uo=us－(－zis)－zis=ur
空載（is=0)us>ur，此時uco=us－ur，輸出電壓uo=us－(us－ur)=ur
空載（is=0)us 空載（is=0)us=ur，此時uco=0，不補償。
圖5 spwm高頻逆變器式交流穩壓電源有六種工作狀態
從以上分析可知：當市電電壓us或負載發生變化時，用瞬時值（us－ur－zis)作為正弦調製電壓的spwm高頻逆變器的輸出電壓uco完全可以補償輸出電壓uo的變化，保持uo=ur不變。
開關穩壓電源設計報告
摘要本設計是對2007年全國大學生電子競賽的e題。電路的設計是利用併聯型開關穩壓電源的拓撲結構，通過分析以ictl494晶元為核心的pwm控制器的工作原理，實現了dc dc變換。得出適合於設計要求的主電路的結構，並在此基礎上設計出控制電路 保護電路 驅動電路。運用調節占空比的大小自動控制輸出電壓，並...
開關穩壓電源設計報告
摘要本設計是對2007年全國大學生電子競賽的e題。電路的設計是利用併聯型開關穩壓電源的拓撲結構，通過分析以ictl494晶元為核心的pwm控制器的工作原理，實現了dc dc變換。得出適合於設計要求的主電路的結構，並在此基礎上設計出控制電路 保護電路 驅動電路。運用調節占空比的大小自動控制輸出電壓，並...
直流穩壓電源
穩定直流電源的電子裝置。直流穩壓電源的供電電源大都是交流電源，當交流供電電源的電壓或負載電阻變化時，穩壓器的直流輸出電壓都會保持穩定。直流穩壓電源隨著電子裝置向高精度 高穩定性和高可靠性的方向發展，對電子裝置的供電電源提出了高的要求。直流穩壓電源按習慣可分為化學電源 線性穩壓電源和開關型穩壓電源。3...