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  • 開(kāi)關(guān)式交流穩(wěn)壓電源的設(shè)計(jì)解析
    • 發(fā)布時(shí)間:2021-05-07 15:24:54
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    開(kāi)關(guān)式交流穩(wěn)壓電源的設(shè)計(jì)解析
    目前,空間技術(shù)、計(jì)算機(jī)、通信、雷達(dá)及家電中的電源逐漸被開(kāi)關(guān)電源所取代?,F(xiàn)在一般應(yīng)用的串聯(lián)調(diào)整穩(wěn)壓電源是連續(xù)控制的線(xiàn)性穩(wěn)壓電源。這種傳統(tǒng)的串聯(lián)穩(wěn)壓器、調(diào)整管總是工作在放大區(qū),流過(guò)的電流是連續(xù)的,這種穩(wěn)壓器的缺點(diǎn)是承受過(guò)載和短路的能力差,效率低,一般只有35%~60%。由于調(diào)整管要損耗較大的功率,所以需要采用大功率調(diào)整管,并裝有體積很大的散熱器。而開(kāi)關(guān)電源的調(diào)整管工作在開(kāi)關(guān)狀態(tài),功率損耗小,效率可達(dá)70%~95%,穩(wěn)壓器的體積小,重量輕,調(diào)整管的功率損耗較小,散熱器也隨之減小。此外,開(kāi)關(guān)頻率工作在幾十kHz,可用數(shù)值較小的濾波電感、電容元件,故可以大大提高允許的環(huán)境溫度。
    l 電路組成及工作原理
    開(kāi)關(guān)式交流穩(wěn)壓電源電路框圖如圖1所示。工作原理描述:由三角波發(fā)生電路產(chǎn)生150 kHz的三角波,由低頻正弦波產(chǎn)生電路產(chǎn)生50 Hz的正弦波。兩個(gè)信號(hào)分別同時(shí)送到比較器的同相和反相輸入端,在比較器的輸出端將產(chǎn)生矩形波。該矩形波的頻率與150 kHz的三角波相同,該矩形波的脈沖寬度受50 Hz正弦波實(shí)時(shí)幅度的調(diào)制后,隨50 Hz正弦波實(shí)時(shí)幅度而變化,即已調(diào)制矩形波。將其送到高速電子開(kāi)關(guān)中一個(gè)輸入端,并經(jīng)過(guò)一級(jí)反向器反向,送到高速電子開(kāi)關(guān)的另外一個(gè)輸入端。
    開(kāi)關(guān)式交流穩(wěn)壓電源
    市電整流濾波獲得的倍于輸入交流電壓(典型值約為311 V)的直流高電壓送到高速電子開(kāi)關(guān)的電源輸入端。高速電子開(kāi)關(guān)的兩個(gè)輸出端由兩個(gè)反向的輸入矩形波驅(qū)動(dòng),從約311 V直流電源取得能量后,分別經(jīng)過(guò)一級(jí)短時(shí)間常數(shù)的LC濾波電路連接到高頻開(kāi)關(guān)變壓器的初級(jí)。該LC濾波電路的作用是使進(jìn)入高頻開(kāi)關(guān)變壓器初級(jí)的矩形波脈沖拐角趨于圓滑,以降低其高頻諧波。高頻開(kāi)關(guān)變壓器的初、次級(jí)還起到對(duì)市電隔離的作用,高頻開(kāi)關(guān)變壓器的次級(jí)獲得交變、拐角圓滑的矩形波電壓,經(jīng)過(guò)多級(jí)長(zhǎng)時(shí)間常數(shù)的LC濾波電路,將150 kHz高頻信號(hào)濾除,還原出50 Hz正弦波的調(diào)制信號(hào)。送到負(fù)載用于對(duì)負(fù)載供電。
    電壓和電流取樣電路從負(fù)載上獲取電壓和電流信號(hào),分別送兩路A/D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換,變成離散的數(shù)字信號(hào)。一方面用于通過(guò)微處理器處理后進(jìn)行實(shí)時(shí)顯示;另一方面用于通過(guò)微處理器處理后送D/A轉(zhuǎn)換器變換為模擬量,經(jīng)過(guò)光電隔離驅(qū)動(dòng)電路來(lái)控制正弦波發(fā)生器的幅值,又經(jīng)過(guò)比較器、反向器、高速電子開(kāi)關(guān)、LC濾波、高頻開(kāi)關(guān)變壓器、多級(jí)LC濾波等電路,用于控制負(fù)載上電壓或電流的穩(wěn)定。電壓互感器的作用是從市電中獲得低諧波失真的標(biāo)準(zhǔn)正弦波,經(jīng)由正弦波產(chǎn)生電路控制其幅值;鍵盤(pán)用于輸入準(zhǔn)備向負(fù)載提供的電壓或電流值。
    2 電路設(shè)計(jì)分析
    2.1 可控正弦波產(chǎn)生電路
    可控正弦波產(chǎn)生電路的電路圖如圖2所示。
    開(kāi)關(guān)式交流穩(wěn)壓電源
    正弦波的來(lái)源采用直接從市電的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于市電的諧波失真度和互感器的參數(shù),其輸出幅度由D/A轉(zhuǎn)換器控制光電耦合器驅(qū)動(dòng)電路實(shí)現(xiàn),D/A轉(zhuǎn)換器輸出信號(hào)控制光電耦合器導(dǎo)通程度,與分壓電阻分壓后產(chǎn)生交流和直流疊加的電壓,經(jīng)電容隔離直流分量,僅保留交流分量送運(yùn)算放大器進(jìn)行若干倍的放大,產(chǎn)生隨D/A信號(hào)幅度大小而控制的純凈交流信號(hào)量。
    D/A控制信號(hào)產(chǎn)生的原則是:根據(jù)輸出到負(fù)載上的電壓或電流配合市電的電壓幅度大小進(jìn)行綜合運(yùn)算,由微處理器向D/A轉(zhuǎn)換器提供通過(guò)綜合運(yùn)算的數(shù)字量,使得提供給負(fù)載的輸出電壓(或電流)趨于穩(wěn)定。
    2.2 脈沖寬度調(diào)制器
    PWM產(chǎn)生電路由正弦波產(chǎn)生電路、三角波產(chǎn)生電路和比較器三個(gè)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(chǎn)生受正弦波瞬時(shí)幅度而變化的脈沖寬度調(diào)制波。
    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,可控正弦波信號(hào)送至比較器的同相輸入端,經(jīng)放大后輸出PWM信號(hào)。
    開(kāi)關(guān)式交流穩(wěn)壓電源
    2.3 高速電子開(kāi)關(guān)
    高速電子開(kāi)關(guān)電路用于實(shí)現(xiàn)將PWM波功率放大,配合高頻電子變壓器和濾波電路,可實(shí)現(xiàn)對(duì)輸入信號(hào)為受某信號(hào)參數(shù)調(diào)制的矩形波,輸出信號(hào)為還原出該參數(shù)的解調(diào)電路。其典型電路圖如圖4所示,是PWM經(jīng)反相器出來(lái)的波形。整個(gè)電路由4個(gè)場(chǎng)效應(yīng)管構(gòu)成的橋式開(kāi)關(guān)電路、高頻開(kāi)關(guān)變壓器、多組LC濾波電路(圖中只畫(huà)出一組L3,C3)組成。
    開(kāi)關(guān)式交流穩(wěn)壓電源
    高頻開(kāi)關(guān)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(kāi)關(guān)變壓器初級(jí)的矩形波拐角變成“緩變”形狀,以使流經(jīng)變壓器的諧波分量減小,降低干擾。
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