家用電器穩(wěn)壓電源--PWM部分設(shè)計(jì).doc

目錄1前言.12方案論證.23設(shè)計(jì)要求.24系統(tǒng)總體框圖.25硬件電路的設(shè)計(jì).35.1變換電路.35.2EPWM控制電路.55.2.1電壓整流檢測(cè)電路.95.2.2對(duì)電壓波動(dòng)進(jìn)行正負(fù)補(bǔ)償?shù)目刂齐娐仿?115.2.3三角波發(fā)生器電路.125.2.4狀態(tài)切換觸發(fā)電路.125.2.5穩(wěn)壓補(bǔ)償過(guò)程.156總結(jié).16謝詞.16參考文獻(xiàn).17附錄1.1811前言隨著高新技術(shù)的發(fā)展，越來(lái)越多的高精密負(fù)載對(duì)輸入電源，特別是對(duì)交流輸入電源的穩(wěn)壓精度要求越來(lái)越高。但是，由于電力供求矛盾的存在，市電電網(wǎng)電壓的波動(dòng)較大，不能滿足高精密負(fù)載的要求，需要在市電電網(wǎng)與負(fù)載之間增設(shè)一臺(tái)高穩(wěn)壓精度的寬穩(wěn)壓范圍的交流穩(wěn)壓電源。電源技術(shù)尤其是數(shù)控電源技術(shù)是一門(mén)實(shí)踐性很強(qiáng)的工程技術(shù)，服務(wù)于各行各業(yè)。電力電子技術(shù)是電能的最佳應(yīng)用技術(shù)之一。當(dāng)今電源技術(shù)融合了電氣、電子、系統(tǒng)集成、控制理論、材料等諸多學(xué)科領(lǐng)域。隨著計(jì)算機(jī)和通訊技術(shù)發(fā)展而來(lái)的現(xiàn)代信息技術(shù)革命，給電力電子技術(shù)提供了廣闊的發(fā)展前景，同時(shí)也給電源提出了更高的要求。隨著數(shù)控電源在電子裝置中的普遍使用，普通電源在工作時(shí)產(chǎn)生的誤差，會(huì)影響整個(gè)系統(tǒng)的精確度。電源在使用時(shí)會(huì)造成很多不良后果，世界各國(guó)紛紛對(duì)電源產(chǎn)品提出了不同要求并制定了一系列的產(chǎn)品精度標(biāo)準(zhǔn)。只有滿足產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)，才能夠進(jìn)入市場(chǎng)。隨著經(jīng)濟(jì)全球化的發(fā)展，滿足國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)的產(chǎn)品才能獲得進(jìn)出的通行證。數(shù)控電源是從80年代才真正的發(fā)展起來(lái)的，期間系統(tǒng)的電力電子理論開(kāi)始建立。這些理論為其后來(lái)的發(fā)展提供了一個(gè)良好的基礎(chǔ)。在以后的一段時(shí)間里，數(shù)控電源技術(shù)有了長(zhǎng)足的發(fā)展。但其產(chǎn)品存在數(shù)控程度達(dá)不到要求、分辨率不高、功率密度比較低、可靠性較差的缺點(diǎn)。因此數(shù)控電源主要的發(fā)展方向，是針對(duì)上述缺點(diǎn)不斷加以改善。單片機(jī)技術(shù)及電壓轉(zhuǎn)換模塊的出現(xiàn)為精確數(shù)控電源的發(fā)展提供了有利的條件。新的變換技術(shù)和控制理論的不斷發(fā)展，各種類型專用集成電路、數(shù)字信號(hào)處理器件的研制應(yīng)用，到90年代，己出現(xiàn)了數(shù)控精度達(dá)到0.05V的數(shù)控電源，功率密度達(dá)到每立方英寸50W的數(shù)控電源。從組成上，數(shù)控電源可分成器件、主電路與控制等三部分。目前在電力電子器件方面，幾乎都為旋紐開(kāi)關(guān)調(diào)節(jié)電壓，調(diào)節(jié)精度不高，而且經(jīng)常跳變，使用麻煩1。隨著數(shù)控電源技術(shù)的發(fā)展，PWM脈寬調(diào)制技術(shù)已成為穩(wěn)壓電源的一個(gè)熱點(diǎn)。脈寬調(diào)制(PWM:(PulseWidthModulation)是利用微處理器的數(shù)字輸出來(lái)對(duì)模擬電路進(jìn)行控制的一種非常有效的技術(shù)，廣泛應(yīng)用在從測(cè)量、通信到功率控制與變換的許多領(lǐng)域中。本文正是一種利用等脈沖寬度調(diào)制（EPWM）技術(shù)配合高速電子開(kāi)關(guān)、高頻電子變壓器和LC濾波器實(shí)現(xiàn)交流開(kāi)關(guān)式穩(wěn)壓電源的。22方案論證方案一：感應(yīng)式交流穩(wěn)壓器。是將鐵磁諧振變壓器固定不變的次級(jí)諧振回路改成其諧振功率可根據(jù)不同負(fù)載情況自動(dòng)進(jìn)行調(diào)整的結(jié)構(gòu)，即次級(jí)諧振回路中的諧振電容中，至少有一個(gè)諧振電容通過(guò)切換開(kāi)關(guān)自動(dòng)切換與輸出主繞組靠改變變壓器次、初級(jí)電壓的相位差，使輸出交流電壓穩(wěn)定。方案二：晶閘管交流穩(wěn)壓器。用晶閘管作功率調(diào)整元件。穩(wěn)定度高、反應(yīng)快且無(wú)噪聲。但對(duì)通信設(shè)備和電子設(shè)備造成干擾。方案三：多補(bǔ)償變壓器式交流穩(wěn)壓電源。所謂多補(bǔ)償變壓器式交流穩(wěn)壓電源，就是用多個(gè)（一般是24個(gè)）補(bǔ)償變壓器，將其次級(jí)串入主電路中，通過(guò)由雙向晶閘管或固態(tài)繼電器組成的“多全橋”變換電路，采用有選擇的切換或通過(guò)切換串入補(bǔ)償變壓器的個(gè)數(shù)進(jìn)行有級(jí)補(bǔ)償，來(lái)達(dá)到穩(wěn)壓目的。方案四：對(duì)方案三取其優(yōu)點(diǎn)、避其缺點(diǎn)，提出了用等脈寬調(diào)制（EPWM）高頻斬波器進(jìn)行補(bǔ)償?shù)慕涣鞣€(wěn)壓電源以供參考。它是對(duì)曾經(jīng)研制和發(fā)表過(guò)的“PWM斬波器式交流穩(wěn)壓電源”的一種改進(jìn)變形電路2，比原電路更簡(jiǎn)單，也更合理一些。通過(guò)對(duì)以上幾種方案的比較，我們選擇方案四，采用等脈寬調(diào)制高頻斬波器進(jìn)行補(bǔ)償?shù)慕涣鞣€(wěn)壓電源。3設(shè)計(jì)要求（1）整流濾波電路的設(shè)計(jì)；（2）PFC電路的設(shè)計(jì)；（3）變換電路的設(shè)計(jì)；（4）PWM控制電路設(shè)計(jì)；（5）輔助電源的設(shè)計(jì)；4系統(tǒng)總體框圖本系統(tǒng)采用一種利用等脈沖寬度調(diào)制（EPWM）技術(shù)配合高速電子開(kāi)關(guān)、高頻電子變壓器和LC濾波器實(shí)現(xiàn)交流開(kāi)關(guān)式穩(wěn)壓電源的實(shí)現(xiàn)思路。市電電壓經(jīng)整流濾波變?yōu)檩^為平滑的310V直流電壓由PFC高功率因數(shù)校正電路校正為功率因數(shù)較高的直流后輸入變換電路。變換電路是由EPWM斬波式脈沖調(diào)制控制電路來(lái)進(jìn)行控制的，同時(shí)EPWM控制電路還要進(jìn)行電壓補(bǔ)償已達(dá)到穩(wěn)壓的目的。系統(tǒng)整體框圖如圖1所示。整流濾波PFC校正電路變換電路輸出濾波輔助電源PWM控制電路市電220V3圖1交流穩(wěn)壓總體框圖5硬件電路的設(shè)計(jì)本交流穩(wěn)壓電源是一種利用等脈沖寬度調(diào)制（EPWM）技術(shù)配合高速電子開(kāi)關(guān)、高頻電子變壓器和LC濾波器實(shí)現(xiàn)交流開(kāi)關(guān)式穩(wěn)壓電源的實(shí)現(xiàn)思路。市電電壓經(jīng)整流和濾波電路產(chǎn)生一組非穩(wěn)定的直流電壓，提供給高速電子開(kāi)關(guān)以實(shí)現(xiàn)能量交換。從市電直接取得交流電壓，首先經(jīng)過(guò)D1D4橋式整流，C9、R23和C10、R24組成的RC濾波后再次經(jīng)過(guò)C11濾波，最后獲得平滑的輸出直流電壓。該直流電壓經(jīng)PFC功率因數(shù)校正電路獲得較高的功率因數(shù)后送往后續(xù)電路。PFC電路的供電電源采用+15V的輔助電源供電，同時(shí)該輔助電源也對(duì)PWM控制電路供電。由于該交流穩(wěn)壓電源設(shè)計(jì)是和同學(xué)兩人一起做，本人負(fù)責(zé)交換電路、輸出濾波和PWM控制電路，所以前面的整流濾波電路、PFC校正電路、輔助電源和顯示電路不多做累述。下面將詳細(xì)介紹交換電路、輸出濾波和EPWM控制電路。5.1變換電路變換電路3是將從PFC輸出的高功率因數(shù)的平滑直流電壓變?yōu)椴ㄐ螢榉讲ǖ慕涣麟?。變換電路是由EPWM橋式斬波器S1S4及其輸出變壓器Tr、直流整流電源D1D4和輸出交流濾波器Lf、Cf組成。橋式斬波器是串聯(lián)在PFC校正電路和負(fù)載之間的，以便對(duì)變換后的電壓波動(dòng)進(jìn)行正、負(fù)補(bǔ)償。電路如圖2所示：CfD1D4D2D3LfTrCdPFC輸入負(fù)載EFUefS1S2S3S4圖2變換電路4橋式斬波器輸出電壓中的諧波，由濾波器Lf、Cf來(lái)濾除。由諧波幅值(Um/k)sinkD可以算出，當(dāng)載波三角波頻率fc=10kHz，N=200，D=0.10.9時(shí)，基波與各次諧波的幅值如表1所列。基波和各次諧波與調(diào)制比亦即占空比D的關(guān)系曲線如圖3所示?？芍狤PWM正弦斬波電壓的諧波頻率與載波比N成正比，N越大諧波頻率越高，所需的濾波器LF、CF的參數(shù)值也越小。所以，根據(jù)表1及圖3可以計(jì)算LF及CF的值。橋式斬波器所需的直流電源，由取自PFC校正電路輸出端的電源Ui，通過(guò)整流器D1D4來(lái)供給。這里應(yīng)該指出的是，EPWM橋式斬波器S1S4并不是工作在逆變器狀態(tài)，而是工作在橋式斬波器狀態(tài)。這是由它的EPWM工作方式、直流電源電壓波形和直流電容Cd值的大小及其功能來(lái)區(qū)分的4。表1基波與各次諧波的幅值（fc=10kHz，N=200）b1/Umb199/Um-0.0984-0.1871-0.2575-0.3027-0.3183-0.3027-0.2575-0.1871-0.0984b201/Um-0.0984-0.1871-0.2575-0.3027-0.3183-0.3027-0.2575-0.1871-0.0984b399/Um-0.0935-0.1514-0.1514-0.093500.09350.15140.15140.0935b401/Um-0.0935-0.1514-0.1514-0.093500.09350.15140.15140.0935b599/Um-0.0858-0.1009-0.03280.06240.10610.0624-0.0328-0.1009-0.0858b601/Um-0.0858-0.1009-0.03280.06240.10610.0624-0.0328-0.1009-0.0858b799/Um-0.0757-0.04680.04680.07570-0.0757-0.04680.04680.0757b801/Um-0.0757-0.04680.04680.07570-0.0757-0.04680.04680.07575123456ABCD654321DCBATitleNumberRevisionSizeBDate:9-May-2009SheetofFile:E:學(xué)習(xí)家用電源穩(wěn)壓設(shè)計(jì)成品BACKUP2.DDBDrawnBy:b/U-0.1-0.2-0.3-0.4-0.5-0.601.0b1/UMb801/Umb601/Umb401/Umb201/Umb799/Umb599/Umb399/UMb199/UmD圖3諧波分量與占空比D的關(guān)系曲線橋式斬波器的直流電壓，不是通過(guò)電容Cd把整流電壓濾波成恒定的平滑直流電壓，而是仍然為單相橋式整流電壓的波形。直流電容Cd不再具有直流濾波功能，而只是為了創(chuàng)造一個(gè)續(xù)流通路而設(shè)置的。對(duì)于感性負(fù)載，在一個(gè)斬波開(kāi)關(guān)周期內(nèi)續(xù)流的能量是很小的（由于斬波頻率較高），所以Cd的值也很小，Cd的充放電速度很快，不會(huì)影響整流電壓的上升或下降速度，使Cd上的電壓與不濾波的整流電壓波形相同。也就是說(shuō)，由于電容Cd的值很小，它只允許續(xù)流電流通過(guò)，不再具有直流濾波功能，因此對(duì)整流波形不產(chǎn)生影響。這就說(shuō)明橋式斬波器是工作在EPWM斬波狀態(tài)，而不是工作在逆變狀態(tài)。N溝道增強(qiáng)型場(chǎng)效應(yīng)管的柵極控制脈沖是由PWM控制電路產(chǎn)生并進(jìn)行控制的。當(dāng)PWM控制電路產(chǎn)生的正交三角波的下降沿時(shí)S1和S4導(dǎo)通，上升沿時(shí)S2和S3導(dǎo)通。輸出電壓Uef為方波交流電壓。二極管D1D4為場(chǎng)效應(yīng)管S1S4漏極和源極提供合適的電壓壓降。5.2EPWM控制電路斬波式交流穩(wěn)壓電源的控制電路，是由輸入電壓整流檢測(cè)電路、比較電路、EPWM電路和橋式斬波器開(kāi)關(guān)S1S4工作狀態(tài)的切換和觸發(fā)電路組成。在電壓整流檢測(cè)電路中，加入對(duì)濾波電感LF上的電壓檢測(cè)，是為了減小濾波電感LF的電抗對(duì)穩(wěn)壓精度的影響。6EPWM是由P.D.Parkh，S.R.Paradla于1983年首先提出來(lái)的5。其原理是采用用直流形式表示的誤差電壓U與三角波電壓uc進(jìn)行比較如圖4(c)所示，在直流誤差電壓U大于三角波電壓的部分產(chǎn)生出等脈寬調(diào)制脈沖，如圖4(d)所示。用圖4(d)的等脈寬調(diào)制脈沖去觸發(fā)橋式斬波器中相應(yīng)的開(kāi)關(guān)管S1S4，就可以在橋式斬波器的兩橋臂中點(diǎn)E和F之間產(chǎn)生出EPWM正弦斬波電壓波形，如圖4(e)所示。經(jīng)過(guò)濾波器LF、CF濾波后，就可以在變壓器Tr初級(jí)得到正弦補(bǔ)償電壓Uef1，如圖3(f)所示。Uef1在Tr次級(jí)產(chǎn)生補(bǔ)償電壓Uco。當(dāng)對(duì)市電電壓進(jìn)行正補(bǔ)償時(shí)，補(bǔ)償