PWM交流斩控技术的交流稳压电源总体设计

1、 PWM交流斩控技术的交流稳压电源总体设计1 PWM交流斩控技术概述1.1 PWM控制的基本原理PWM (Pulse Width Modulation)控制就是脉宽调制技术：即通过对一系列脉冲的宽度进行调制，来等效的获得所需要的波形（含形状和幅值）。PWM控制技术以面积等效原理为基础。PWM控制电路把直流电压“斩”成一系列脉冲，改变脉冲的占空比来获得所需的输出电压，改变脉冲的占空比就是对脉冲宽度进行调制，只是因为输入电压和所需要的输出电压都是直流电压，因此脉冲既是等幅的，也是等宽的，仅仅是对脉冲的占空比进行控制，着是PWM控制中最简单的一种情况1.2 PWM交流斩控调压原理图1-1图1-1（a

2、）所示，假定电路中各部分都是理想状态。开关S1为斩波开关，S2为考虑负载电感续流的开关，二者均为全控开关器件与二极管串联组成的单相开关见图1-1（b）。S1及S2不允许同时导通，通常二者在开关时序上互补。定义输入电源电压u的周期T与开关周期Ts之比为电路工作载波比Kc，（Kc=T/Ts）。图1-1（c）表示主电路在稳态运行时的输出电压波形。显然输出电压uo为： (1)式中：E（t）为开关函数，其波形示于图1-1（c），函数由式（2）定义。 (2)在图1-1（a）电路条件下，则 (3)E（t）函数经傅立叶级数展开，可得 (4)式中：D=ton1/Ts，s=2/Ts，n=n/Ts；D为S1的占空比

3、；ton1为一个开关周期中S1的导通时间。将式（4）代入式（3）可得： (5)式（5）表明，uo含有基波及各次谐波。谐波频率在开关频率及其整数倍两侧处分布，开关频率越高，谐波与基波距离越远，越容易滤掉。在经LC滤波后，则有： (6)把输出电压基波幅值与输入电压基波幅值之比定义为调压电压增益，即： (7)由此可见电压增益等于占空比D，因此改变占空比就可以达到调压的目的。2 控制方案设计与工作原理一般情况下，PWM交流斩控调压器的控制方式与主电路模型、电路结构及相数有关。若采用互补控制，斩波开关和续流开关在换流过程中会出现短路，产生瞬时冲击电流；如设置换相死区时间，又可能造成换相死区时间内二个开关

4、都不导通使负载开路，在有电感存在的情况下，会产生瞬时电压冲击。本方案采用有电压、电流相位检测的非互补控制方式，如图2-1所示。对相数而言本方案采用三相四线制，即用三个单相电路，组合成三相电源，这样可以避免相间干扰，保持各相电压输出稳定。图2-1由图2-2可见，V1，VD1与V2，VD2构成双向斩波开关，Vf1，VDf2与Vf2，VDf1构成双向续流开关；Lof及Cof分别为滤波电感、电容；U1为补偿变压器初级绕组两端电压，U2为向主电路补偿的电压。本方案采用了有电压、电流相位检测的非互补控制方式。图2-2为在RL负载下，这种非互补的斩波开关和续流开关门极驱动信号的时序配合及一个电源周期中输出电

5、压的理想波形。由图2-2可见根据负载电压电流相位，一个电源工作周期可分为4个区间.上述工作状态，可用逻辑表达式表示为： （8）当U0时，U=1；当U0和0时，=1，=1；当0和Ur时须进行负补偿，使UsUco=UL=Ur；当UsUr时须进行正补偿，使UsUco=UL=Ur，所以UL=USUco=Ur （9）正补偿时取正号，负补偿时取负号。假定补偿变压器Tr的变比为：1，桥式斩波器的输出电压基波为Uab1=DUmsint则 Uco=(Uab1/) （10）将式（10）代入式（18）得UL=US(1/)Uab1 （11）桥式斩波器的基波输出电压Uab1=DUL （12）将式（14）代入式（11）得

6、UL=US(D/)UL （13）或Ur=UL(D/)UL=US，UL(1D/)=USUL=(Us)/(1D/) （14）正补偿时取正号，负补偿时取负号。当占空比D=1时，最大正、负补偿电压由式（10）得Uco,max=(UL/)（因为此时Uab1=DUL=UL）。当市电电压的波动范围为15时，最大补偿电压Uco,max=0.15UL=(UL/) （15）由于补偿变压器Tr初次级匝比为 =1/0.15=6.667 （16）而补偿变压器次级电流，即市电输入电流Is =P/Us （17）式中：P为市电输入功率。补偿变压器初级电流，即桥式斩波器输出电流Ich=Is/ （18）即桥式斩波器的斩波开关管的

7、额定电流，只有市电输入电流IS的1/。因而补偿功率Pco=Uab1Ich=DUL(Is/)=(DPUL)/Us （19）当US=UL时，D=0，补偿功率Pco,min=0；当Us,min=(10.15)UL=0.85UL时，D=1，则补偿功率： （20）u与uc相对极性变换的控制如图4-2所示。其输出UQ接双向晶闸管的过零触发电路。采样信号取自Uo经整流滤波后的输出。电位器Rp用于调节输入信号的门槛电压，其传输特性如图3-2（b）所示。图3-24设计结论PWM交流斩控技术用于交流稳压，显著地提高了交流稳压电源的技术性能，其主要特点是：1） 可采用全固态器件，真正做到了无触点、无抽头，因而可靠性

8、高、工作寿命长；2）平滑调节，输出无级差，对电网及用户无冲击，不产生低频次谐波干扰；3）输出精度高，实际精度可达到0.5，即便在正补偿与负补偿变换瞬间，输出电压波动也不超过额定电压的1；4）动态响应速度快，可达ms级；5）负载无选择性，对感性负载、阻性负载、容性负载都适用；6）每相只需一台变压器，因而重量轻，自身功耗少。参考文献1 脉宽调制DC/DC全桥变换器的软开关技术，阮新波，严仰光，科学出版社，1999年9月，北京2 软开关功率变换器及其应用，王聪，科学出版社， 2000年1月，北京 3 Novel Zero-voltage and Zero-Current-Switching Full-Bridge