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第6章 开关电源设计开关电源设计.ppt Still waters run deep.流静水深流静水深,人静心深人静心深 Where there is life,there is hope。有生命必有希望。有生命必有希望第6章 开关电源设计6.1 小功率开关电源设计小功率开关电源设计6.1.1 实用小功率开关电源设计实用小功率开关电源设计本节以实用小型电源的设计为例，说明电源设计的方法。1.电源设计指标电源设计指标 小型电源输入、输出参数如下：输入电压：AC 110/220 V；输入电压变动范围：90240 V；输入频率：50/60 Hz；输出电压：12 V；输出电流：2.5 A。第6章 开关电源设计控制电路形式为它激式，采用UC3842为PWM控制电路。电源开关频率的选择决定了变换器的特性。开关频率越高，变压器、电感器的体积越小，电路的动态响应也越好。但随着频率的提高，诸如开关损耗、门极驱动损耗、输出整流管的损耗会越来越突出，对磁性材料的选择和参数设计的要求也会越苛刻。另外，高频下线路的寄生参数对线路的影响程度难以预料，整个电路的稳定性、运行特性以及系统的调试会比较困难。在本电源中，选定工作频率为85 kHz。第6章 开关电源设计2.电路结构的选择电路结构的选择 小功率开关电源可以采用单端反激式或者单端正激式电路，使电源结构简单，工作可靠，成本低。与单端反激式电路相比，单端正激式电路开关电流小，输出纹波小，更容易适应高频化。用电流型PWM控制芯片UC3842构成的单端正激式开关电源的主电路如图6-1所示。第6章 开关电源设计图6-1 单端正激式开关电源的主电路第6章 开关电源设计单端正激式开关电源加有磁通复位电路，以释放励磁电路的能量。在图6-1中，开关管VT导通时V1导通，副边线圈N2向负载供电，V4截止，反馈电线圈N3的电流为零；VT关断时V1截止，V4导通，N3经电容C1滤波后向UC3842脚供电，同时原边线圈N1上产生的感应电动势使V3导通并加在RC吸收回路。由于变压器中的磁场能量可通过N3泄放，而不像一般的RC D磁通复位电路消耗在电阻上，因此可达到减少发热，提高效率的目的。第6章 开关电源设计3.元件设计元件设计1)变压器和输出电感的设计 依据UC3842应用方式，选定定时电阻RT1.8 k，定时电容CT10 F。确定开关频率f85 kHz，周期T11.8 s。设计单端控制开关电源时，一般占空比D最大不超过0.5，这里选择D0.5，则TON=TD=5.9 s (6-1)第6章 开关电源设计根据电源规格、输出功率、开关频率选择PQ26/25磁芯，磁芯截面积S1.13 cm2，磁路有效长度l6.4 cm，饱和磁通密度BS0.4 T。取变压器最大工作磁感应强度BmaxBS/30.133 T，则电感系数A为(6-2)变压器原边线圈匝数N1为(6-3)式中，Ui为最小直流输入电压。第6章 开关电源设计交流输入电压的最小值约为90 V,Ui90127 V，得出N149.9匝，取50匝。原边线圈电感LAN1211.1 mH。副边线圈匝数为(6-4)式中，UDF为整流二极管V1上的压降；UL为输出电感L上的压降。取UDF+UL0.7 V，代入式(6-4)，得N210匝。副边线圈电感为 L2=N22AL=444 H (6-5)第6章 开关电源设计开关管断开时，N1两端将会产生感应电动势，为了保证开关管正常工作，将感应电动势限制到e=300 V。反馈电线圈向UC3842提供U12 V的工作电压，按电容C1上的电压UC16 V计算，以保证有足够的供电电压给UC3842。由N3(UC/e)N1可得N32.67匝，取3匝。变压器副边电流为矩形波，其有效值为(6-6)导线电流密度取4 A/mm2，所需绕组导线截面积为1.77/40.44 mm2。同样可选择原边绕组导线，原边电流有效值为(6-7)第6章 开关电源设计所需绕组导线截面积为0.354/40.0885 mm2，选用截面积为0.096 21 mm2的导线(f0.41 mm)。取输出电感的电流变化量IL0.2Io0.5 A，则输出电感为(6-8)式中,U2为副边线圈最小电压。计算得(6-9)第6章 开关电源设计取UDF0.5 V，Uo3 V，代入式(6-8)可得L140 H。根据输出电感上的电流ILIo，所需绕组导线截面积应为2.5/40.625 mm2，故选择截面积为0.6362 mm2导线(f0.96 mm)。第6章 开关电源设计2)开关管、整流二极管和续流二极管的选择由于开关管断开时原边线圈N1两端的感应电动势限制到eL300 V，交流输入电压经全波整流、电容滤波后，直流输入电压的最大值(6-10)所以整流二极管所承受的最高反向电压为(6-11)续流二极管所承受的最高反向电压为(6-12)第6章 开关电源设计流过整流二极管和续流二极管的最大电流为ID=I2P=Io+0.5 A(6-13)得ID2.75 A。根据以上计算选择肖特基半桥MBR25120CT,平均整流电流为25 A，反向峰值电压为120 V。开关管选用MOSFET 2SK793，漏源击穿电压为900 V，最大漏极电流为3 A。第6章 开关电源设计3)反馈电路的设计电流反馈电路采用电流互感器，通过检测开关管上的电流作为采样电流，原理如图6-2 所示。电流互感器的输出分为电流瞬时值反馈和电流平均值反馈两路，R2上的电压反映电流瞬时值。开关管上的电流变化会使UR2变化，UR2接入UC3842的保护输入端脚，当UR21 V时，UC3842芯片的输出脉冲将关断。通过调节R1、R2的分压比可改变开关管的限流值，实现电流瞬时值的逐周期比较，属于限流式保护。输出脉冲关断，实现对电流平均值的保护，属于截流式保护。两种过流保护互为补充，使电源更为安全可靠。采用电流互感器采样，使控制电路与主电路隔离，同时与电阻采样相比降低了功耗，有利于提高整个电源的效率。第6章 开关电源设计图6-2 电流反馈电路第6章 开关电源设计电压反馈电路如图6-3所示。输出电压通过集成稳压器TL431和光电耦合器反馈到UC3842的脚，调节R1、R2的分压比可设定和调节输出电压，达到较高的稳压精度。如果输出电压Uo升高，则集成稳压器TL431的阴极到阳极的电流增大，使光电耦合器输出的三极管电流增大，即UC3842脚对地的分流变大，UC3842的输出脉宽相应变窄，输出电压Uo减小。同样,如果输出电压Uo减小，则可通过反馈调节使之升高。第6章 开关电源设计图6-3 电压反馈电路第6章 开关电源设计4)保护电路的设计图6-4所示为变压器过热保护电路，NTC为测变压器温度的一个负温度系数的热敏电阻。由NTC、R2、运放A1构成滞环比较器。在正常工作时，变压器温度正常，NTC的阻值较大，运放A1两输入端电压U+U，运放的输出电压较高，使三极管VT饱和导通，将电源内部的假负载R7自动接入。当电源接入负载RL时，R8上的压降使UU，运放的输出电压为零，VT截止，将R7断开。第6章 开关电源设计图6-6 空载保护电路第6章 开关电源设计5)输入滤波电路的设计输入滤波电路具有双向隔离作用，可抑制从交流电网输入的干扰信号，同时也防止开关电源工作时产生的谐波和电磁干扰信号影响交流电网。图6-7所示滤波电路是一种复合式EMI滤波器，L1、L2和C1构成第一级滤波，共模电感L3和电容C2、C3构成第二级滤波。C1用于滤除差模干扰，选用高频特性较好的薄膜电容。电阻R给电容提供放电回路，避免因电容上的电荷积累而影响滤波器的工作特性。C2、C3跨接在输出端，能有效地抑制共模干扰。为了减小漏电流，C2、C3宜选用陶瓷电容器。第6章 开关电源设计图6-7 输入滤波电路第6章 开关电源设计4.测试测试在输入电压为220 V的条件下，输入功率是脉冲序列，周期为10 ms，即每半个工频周期电源输入端通过整流桥为输入平滑滤波电容充一次电。在各种不同的负载状况下，当输入电压从90 V变化到250 V时，相应的输出电压的测试结果如表6-1所示。实测各种负载状况下的效率如表6-2所示。通过实际应用，电源满足了设计要求。第6章 开关电源设计第6章 开关电源设计第6章 开关电源设计6.1.2 120 W/24 V开关电源模块的电路设计开关电源模块的电路设计1.设计要求设计要求 输入电压：AC 85265 V，50 Hz；输出电压：DC 1624 V；输出电流：5.0 A；电压调整率：1。2.设计步骤设计步骤根据设计要求，现以图6-8所示的原理图来说明设计步骤。第6章 开关电源设计图6-8 120 W/24 V开关稳压电源原理图第6章 开关电源设计1)器件的选择根据设计要求选择TOP系列的TOP248Y作为开关器件。由于TOP248Y工作在输出功率的上限，电流设定在最大值，因此将TOP248Y的X端直接与源极相连。而过压值设定在DC 450 V，若输入电压超过此值，则TOP248Y 将自行关断，直到输入电压恢复正常值时，TOP248Y自行恢复启动。频率选择端F也与源极直接相连，此时开关工作频率设定在130 kHz。第6章 开关电源设计2)脉冲变压器的设计要求脉冲变压器的初级电感Lm中的电流与电压的关系为(6-14)式中,ULm为初级电感两端的电压；为开关脉冲宽度。脉冲变压器的初级电感值在3003000 H之间，输出功率大的情况应取下限，反之则取上限。变压器初级电感值不能太小，否则会造成TOP248Y中的功率MOSFET的漏极电流太大，使开关损耗增加，同时易造成过流保护动作，使电源难以启动。同样，初级电感值也不能太大，否则不能满足输出功率的要求。第6章 开关电源设计3)电源次级电路的设计次级电路设计主要是选择整流管和滤波电容。整流管的选择应根据输出电流和电压进行，其最大值的选择为IRLC2Io=25=10 A(6-15)(6-16)(6-17)式中,Uo为输出电压；Io为输出电流；Uimax为最大直流输入电压；Dmin为开关的最小占空比；n为脉冲变压器的变比。第6章 开关电源设计将Uimax375 V，Uo24 V，Dmin代入式(6-17)，得到脉冲变压器的变比为n4。此时脉冲变压器的初级励磁电流为(6-18)此值远小于TOP248Y的漏极电流7.2 A。电源次级整流管在输出电压较低的情况下，采用肖特基二极管以减小二极管的损耗。当输出电压较高时，则需要采用快恢复二极管；当开关频率较高时，应采用超快恢复二极管作整流管，以减小其反向电流对初级的影响。滤波电容C7的容量应满足输出电压纹波的要求，L1及C9应能有效地滤除开关过程所产生的高频噪声干扰。第6章 开关电源设计4)反馈电路的设计图6-8所示电路的反馈电路采用光电耦合器和可调式三端稳压器VS2以及R10、R11、R6组成的输出电压调整电路，R5为光电耦合器的限流电阻。在启动瞬间，检测光电耦合器输出电流，从而改变IC1控制端的电流，实现预调整，以确保电源在低电网电压和满载启动时达到规定的调整值。C11和R4、C4组成环路补偿电路。第6章 开关电源设计3.设计中应注意的问题设计中应注意的问题在设计电源时应注意以下几个问题:(1)因为电源的输出功率较大，故要求脉冲变压器的漏感应尽可能小，特别是在低压大电流的情况下更应如此。脉冲变压器的初、次级绕组应相间绕制，即使这样，脉冲变压器漏感中储存的能量仍有可能超过瞬态抑制二极管V1的功率容量。因而用R3和C2与VS1并联，将漏感中的能量部分地损耗在R3上，以保证IC1的工作可靠性；同时又将电压钳位在DC 200 V，使TOP248Y在电源启动与过载条件下，确保器件内部的功率 MOSFET 的漏极电压低于DC 700 V。第6章 开关电源设计(2)输出滤波电容的等效串联电阻应尽可能小，特别是在低压、大电流的情况下更应如此，否则会由于电容损耗增大而大大降低电源的可靠性。(3)光电耦合器的输出端应靠近TOP248Y控制端C，控制端C的滤波电容应靠近源极S，TOP248Y其它引脚端L、X、F与源极S的连接线也应尽可能短，同时要远离漏极D，以减小电源噪声。第6章 开关电源设计6.2 大功率高稳定度开关电源设计大功率高稳定度开关电源设计现有高频开关电源模块的单机功率普遍较小，仅可用于小容量直流系统，但其性能价格比和可靠性比较高。而对于大容量直流系统，就必须并联许多模块，这样将导致直流系统的可靠性大大降低，同时使造价升高。本节介绍的开关电源正是为解决这两方面问题而设计的。第6章 开关电源设计6.2.1 主要技术指标主要技术指标交流输入电压：三相，380(120%)V，50 Hz；输出直流电压：0300 V；输出直流电流：020 A；稳压稳流精度：0.01%；效率：95%；运行方式：100%连续。第6章 开关电源设计6.2.2 控制电路控制电路电源控制电路采用的是TL494芯片，有关内容见本书5.3.4节。TL494各管脚排列如图6-9所示。图6-9 TL494各管脚排列第6章 开关电源设计TL494的内部包含两个相同的误差放大器，它们的输出端经二极管隔离后送至PWM比较器的同相端，与反相端的锯齿电压相比较，并决定输出电压的宽度。调宽过程可由脚上的电压来控制，也可分别由误差放大器来进行控制。两个放大器独立使用，用于反馈电压和过流保护。脚接RC网络，使整个电路的稳定性得到提高。TL494是一个固定频率的PWM控制电路，适用于设计所有的(单端或双端)开关电源典型电路，其主要性能如下：第6章 开关电源设计(1)输入电压为DC 740 V，可用非稳压电源作为输入电源，从而使辅助电源简化。TL494末级的两只功率管在740 V范围内工作时，最大输出电流可达250 mA。因此，其负载能力较强，既可按推挽方式工作，也可将两路输出并联工作，小功率时可直接驱动。(2)内部有5 V参考电压，使用方便。参考电压短路时，有下垂保护特性。(3)内部有一对运算放大器，可作反馈放大器及保护之用，控制很方便。(4)在高频开关电源中，输出方波必须对称，在其他一些应用中又需要方波人为不对称，即需控制方波的占空比。通过对TL494脚(死区时间控制端)的控制，既可调节占空比，还可作输出软启动保护用。第6章 开关电源设计(5)可以选择单端、并联或交替三种方法输出。TL494在工作时，其工作频率仅取决于、脚外接在振荡器上的定时元件RT和CT的数值,一旦定时元件固定后，TL494输出信号的工作频率也就固定不变。锯齿波发生器起振后，可在脚所接定时电容CT上产生锯齿波电压,其频率f1.2/(RTCT)，该锯齿波在片内分别被送到比较器1和2的同相输入端。一般开关电源的稳压控制、过流保护控制、过压保护控制等采样电压是加在误差放大器的同相输入端或死区控制输入端的。因此,片内误差放大器的输出电平与锯齿波在比较器2中进行比较，而死区控制电平与锯齿波在比较器1中进行比较，二者的输出分别得到一串具有一定宽度的矩形脉冲。它们同时进入门电路，经D触发器分频后，再经相应的门电路去控制TL494内部的两个驱动三极管交替导通和截止，通过脚和 脚向外输出相位相差180的脉宽调制控制脉冲。第6章 开关电源设计6.2.3 功率变换部分功率变换部分电路功率变换部分采用IGBT模块组成半桥电路，如图6-10所示。此部分是开关电源的核心，其性能的好坏直接影响整个电源的性能与可靠性。第6章 开关电源设计图6-10 功率变换部分电路图第6章 开关电源设计1.主电路主电路在图6-10中，经过V1V6组成的三相全波整流后，得到约560 V直流电压，再经输入滤波电容C2、C3分压，它们各承受约280 V电压。当VT1的门极电压U1达到一定电平值时，VT1导通，电容器C2经过VT1的漏源极、变压器TC的初级绕组放电，给次级传递能量。当VT1截止时，VT2的门极电压U2也达到一定的电平值，使VT2由截止转为导通，电容器C3经TC的初级绕组及VT2的漏源极放电，给次级传递能量。为了避免VT1与VT2同时导通造成直通故障而损坏VT1和VT2，必须要保证VT1和VT2的门极驱动电压有一个共同截止的时间，称为控制脉冲的死区时间，要求死区时间必须大于VT1和VT2的最长导通饱和延迟时间。第6章 开关电源设计2.RC缓冲电路缓冲电路 如图6-10所示，以VT1为例，当VT1截止时，电容器C4通过R4充电；当VT1导通时，电容器C4经R4放电。尽管RC缓冲电路消耗了一定量的功率，但却减轻了开关管关断瞬间的电压应力。RC电路必须保证以下两点：一是在开关管截止期间，必须能使电容器充电到接近正偏电压UGS；二是在开关管导通期间，必须使电容器上的电荷经过电阻全部放掉。第6章 开关电源设计3.门极抗干扰钳位保护电路门极抗干扰钳位保护电路如图6-10所示，并联在IGBT的门极与发射极之间的稳压管极性相反，串联在一起使用，其目的是把门极正偏电压限制在20 V以内，将负偏电压限制在15 V以内。把加在门极的电压钳位到预定电平，从而有效地消除了干扰在驱动电路中产生的尖峰电压信号对IGBT的潜在危害。第6章 开关电源设计4.驱动电路驱动电路IGBT的驱动采用专用的混合集成驱动器，常用的有三菱公司的M579系列和富士公司的EXB系列，其内部具有退饱和检测和保护环节，当发生过电流时能快速响应且慢速关断IGBT，并向外部电路给出故障信号。本例采用M57962L芯片，输出的正驱动电压均为+15 V左右，负驱动电压为10 V。图6-11所示为M57962L型IGBT驱动器的原理图和接线图。第6章 开关电源设计图6-11 M57962L型IGBT驱动器的原理图和接线图(a)驱动器原理图；(b)驱动器接线图第6章 开关电源设计IGBT的门极驱动电路密切地关系到其静态和动态特性。门极电路的正偏压UGS、负偏压UGS和门极电阻RC的大小，对IGBT 的通态电压、开关时间、开关损耗、承受短路能力以及du/dt参数均有不同程度的影响。设计驱动电路要点如下：(1)连线长度。应尽量减小IGBT模块各管脚的连线长度，尤其是门极引线的长度，可以用小磁环或一个小电阻与门极串联。这两个元件应尽量靠近模块的门极，它们可以消除寄生振荡。(2)精心布置器件。尽量做到完全对称，连线尽量同长度且尽量减短、加粗，尽可能用多股绞线。第6章 开关电源设计(3)泄放电阻。在IGBT的门极与源极之间，应加11 k的泄放电阻。(4)正偏电压UGS的影响。当UGS增加时，开通时间缩短，因而开通损耗减小。UGS的增加对减小通态电压和开通损耗有利，但是UGS不能随意增加，因为当增加到一定程度后，对IGBT的负载短路能力以及du/dt有不利影响，该电路采用UGS15 V。第6章 开关电源设计(5)负偏电压UGS的影响。负偏电压是很重要的门极驱动条件，它直接影响IGBT运行的可靠性。过高的du/dt产生较大的位移电流，使门极和源极之间的电压上升，并超过IGBT的门极阈值电压，产生一个较大的漏极脉冲浪涌电流，过大的漏极浪涌电流会使IGBT发生不可控的擎柱现象。为了避免IGBT发生这种误触发，可在门极加反向偏置电压，该电路中UGS12 V。(6)门极电阻的影响。门极电阻选用的原则为：在开关损耗不大的情况下，应选用较大的门极电阻，但当门极电阻增大时，IGBT的开通与关断时间增加，进而使IGBT的开通能耗和关断能耗也增加。出于综合考虑，该电路的门极电阻采用51。第6章 开关电源设计6.2.4 其他电路其他电路1.变压器及滤波电路的设计变压器及滤波电路的设计功率变压器的选材、计算及绕制方法等关系到所设计开关电源的成败及性能的好坏，必须给予高度重视。当电网输入电压最低且稳压电源输出满载时，变压器必须仍能满足稳压系统的正常工作。第6章 开关电源设计设计一个合理的输出电感，可以使开关电源的体积减小，节约原材料。更重要的是，它既可以存储能量，以便在开关功率管截止期间或死区时间内，能够给负载提供连续不断的电流，又能使输出的直流电压更平滑，使输出电压纹波能够达到比较理想的指标。为了使滤波效果显著，可以增加线圈的匝数。为了减少热效应和趋肤效应，线圈绕制时采用多股铜线并绕或采用紫铜带绕制，层与层之间用0.1 mm厚的高强度聚酯薄膜绝缘，所有绕组均要紧密绕制并作浸漆处理。第6章 开关电源设计2.保护电路保护电路开关电源在工作中，当有异常现象发生时，能否实现自身保护将决定它的可靠性和是否具有适用性。该电源设有输入过压、输入欠压、输出欠压、温度及过流保护电路。各种保护均通过单片机进行分析处理，大大提高了保护动作速度，从而避免了采用模拟电路实现保护所造成的动作速度慢的问题，电源的可靠性就自然而然地提高了。此种保护模式很容易解决主逆变桥共态导通的问题，有故障时，保护动作，电源没有输出，当故障消失后，电源自动恢复工作。第6章 开关电源设计6.3 模块化逆变电源设计模块化逆变电源设计随着逆变技术的进一步发展，越来越多的用户要求逆变电源像直流电源一样模块化，要求设计的电源体积小、成本低。这需要仔细考虑系统方案，简化控制，在保证性能指标的同时，减小体积，降低成本。设计的逆变电源直流输入24 V电压，输出为三相400 Hz，输出电压为68 V，负载电流为3 A。30 s后，要求输出电压无间断地切换为36 V，并提供1 A 负载电流，稳压精度为2%，要求输入、输出隔离。第6章 开关电源设计6.3.1 系统设计系统设计1.主电路设计主电路设计系统框图如图6-12所示。主电路首先需将24 V直流输入电压变换为较高的、可调节的直流母线电压。选择性能优良的DC/DC模块，可缩短设计周期，提高产品可靠性。第6章 开关电源设计图6-12 系统框图第6章 开关电源设计本节利用比较先进的VICOR系列模块化电源进行逆变电源的设计。该模块种类多，其中的DC/DC模块采用了ZCS/ZVS技术，突出优点是效率高、功率密度高、可靠性高、电磁干扰低，同时可以利用其I/O隔离的特性实现系统的隔离。设计使用两只24 V变48 V、输出功率为150 W的DC/DC模块A、B，输入为A、B并联，输出为A、B串联，以获得96 V的直流母线电压。在不考虑电源的损耗时，电源的最大输出功率为300 W，可以满足系统要求。第6章 开关电源设计电源在正常工作时输出电压为36 V，若直流利用率为0.7，调制度为最大值1，则所需直流电压为36/0.751.5 V。输出电压为68 V时，若直流利用率仍为0.7，调制度为最大值1，则所需直流电压为68/0.797 V，这是空载时所需的直流电压。当带重载时，由于线路阻抗和系统输出阻抗的存在，所需的直流母线电压更高，所以必须采取措施提高直流利用率。计算SPWM数据时，可适当地过调制，并在电路中加大滤波电容器的容量，达到提高和稳定直流母线电压的目的。逆变桥使用功率MOSFET构成三相逆变全桥，滤波网络中的电容采用三角形连接方式以加强滤波作用。第6章 开关电源设计2.保护与控制电源保护与控制电源电源在有异常情况出现时，有两种方法切断输出：一是封锁控制数据，如选择ROM数据全为零的空页，此法方便快速；二是断开直流母线电压，此法有利于负载的安全。这里选择后者。V系列模块的GATE-IN端是其功率提升同步端，也是该模块的使能端，拉低该端电压即可关闭模块。以GATE-IN端电位为基准，故检测的过流、过压信号均须以光电耦合与之隔离。控制部分的电源功率很小，采用线性三端稳压器。该稳压器除简便外，还有可靠、电磁干扰小的优点。第6章 开关电源设计6.3.2 PWM波形控制波形控制1.SPWM的基本原理的基本原理逆变过程需要控制开关管的动作模式，使得输出波形为正弦波。设计采用SPWM方法对开关管进行控制。在ROM中的PWM数据是离线计算，灵活性大。取得SPWM的方法是通过利用规则采样法计算数据，准确地得到开关器件的导通、关断时间，其原理误差与存储数据时取整带来的误差相比可以忽略。计算程序的入口参数主要有3个，即载波频率Fc、调制频率FM和调制度M，其中调制度代表预期的输出幅值。输出电压切换前后的幅值相差很大，不能使用一个调制度，所以在ROM中存储两组数据(每组2 KB)，通过控制高位地址线实现电压切换。在启动阶段输出68 V电压时，需适当的过调制，此时SPWM 就近似为梯形波比较调制，使直流利用率提高；而正常工作输出36 V电压时，调制度较低，谐波含量将很少。第6章 开关电源设计按SPWM基本原理，自然采样法中要求解复杂的超越方程，难以在实时控制中在线计算，故工程应用不多。而规则采样法是一种工程实用方法，效果接近自然采样法，计算量小得多。规则采样法原理如图6-13所示，三角波两个正峰值之间为一个采样周期Tc。在自然采样法中，脉冲中点不和三角波一周期中点重合。规则采样法使两者重合，即每个脉冲中点为相应三角波中点，使计算大为简化。三角波负峰时刻tD对信号波采样得D点，过D作水平线和三角波交于A、B点，在A点时刻tA和B点时刻tB控制器件的通断。脉冲宽度 和用自然采样法得到的脉冲宽度非常接近。第6章 开关电源设计图6-13 规则采样法第6章 开关电源设计2.规则采样法的计算规则采样法的计算规则采样法计算公式推导过程如下。在正弦调制信号波公式中，a称为调制度，0a0)而言，级联单元的冗余状态数量n1用数学组合方式表达为n1=CiNN(6-46)表明有i个级联单元输出电平E,而对于其他的Ni个单元，输出电压为零。由前面的分析可知，当级联单元输出电压为零时，对应两种不同续流方向向上续流或向下续流。因此冗余开关组合的数量n2用数学组合方式表达为 n2=CiNN2Ni (6-47)第6章 开关电源设计6.冗余状态存在对电路的影响冗余状态存在对电路的影响冗余状态和冗余开关组合是级联型逆变器的一个重要特点，其优点在于:(1)降低对于元件的要求，状态和开关组合可交替轮换，避免某一工作单元长时间工作，从而可降低对元件的要求，并可避免系统工作时局部过热。(2)提高系统的可靠性，在某一元件失效时，系统可通过重组将故障元件旁路，系统可以继续运行。冗余状态和冗余开关组合带来的负面影响在于，为使各单元具有相同的寿命周期，提高系统的可靠性和使用寿命，各单元的利用率应趋于相同，因此需要引入均衡控制。第6章 开关电源设计6.8.4 单元级联型功率变换电路的数学模型单元级联型功率变换电路的数学模型1.基本功率单元基本功率单元级联型功率变换电路是由基本功率单元组成的,因而基本功率单元的数学模型是建立完整功率变换电路数学模型的基础。对于基本功率单元H桥逆变单元，为获得基本功率单元的数学描述，引入开关变量S，并分别用SL和SR作为控制左、右桥臂的开关变量。定义(6-48)对于左桥臂，L点对n点的输出电压UL=SLE，左桥臂的电流IL=SLI；同理对于右桥臂,R点对n点的输出电压UR=SRE，左桥臂的电流IR=SRI。第6章 开关电源设计根据基尔霍夫电压电流定律，有Uo=(SLSR)E (6-49)Io=IL+IR=(SLSR)I(6-50)式(6-49)和式(6-50)即为基本功率单元的数学模型。第6章 开关电源设计2.三相单元功率变换电路三相单元功率变换电路三相单元功率变换电路如图6-48所示，电路由三个基本功率单元组成，每相数学模型可依上述分析过程建立，结果为Uao=(SLaSRa)E (6-51)Iea=(SLaSRa)Ia (6-52)Ubo=(SLbSRb)E(6-53)Ieb=(SLbSRb)Ib(6-54)Uco=(SLcSRc)E(6-55)Iec=(SLcSRc)Ic(6-56)第6章 开关电源设计其中，SLa、SRa、SLb、SRb、SLc、SRc分别为A、B、C三相功率单元左、右桥臂的开关信号；Uao、Ubo、Uco分别为A、B、C三相功率单元输出电压；Iea、Ieb、Iec分别为A、B、C三相功率单元电源E的输出电流。第6章 开关电源设计图6-48 三相单元功率变换电路图第6章 开关电源设计3.状态方程的建立状态方程的建立对A、B、C三相所在的三条支路利用基尔霍夫电压定律列写回路方程：(6-57)(6-58)(6-59)对于中性点不接地的三相系统有Ia+Ib+Ic=0 (6-60)第6章 开关电源设计对于三相对称负载，依据上式有(6-61)可得图6-48所示功率变换电路的状态方程：(6-62)第6章 开关电源设计6.8.5 三相多单元级联功率变换电路三相多单元级联功率变换电路1.三相多单元级联功率变换电路三相多单元级联功率变换电路 三相多单元级联功率变换电路如图6-49所示。三相多单元级联功率变换器每相电路仍由基本功率单元级联而成,其数学模型仍可按6.8.4节分析过程建立:Uai=(SLaiSRai)Ei (6-63)Ieai=(SLaiSRai)Ia (6-64)Ubi=(SLbiSRbi)Ei (6-65)Iebi=(SLbiSRbi)Ib (6-66)Uci=(SLciSRci)Ei (6-67)第6章 开关电源设计Ieci=(SLciSRci)Ic (6-68)其中，SLai、SRai、SLbi、SRbi、SLci、SRci为A、B、C 三相第i个级联功率单元左、右桥臂的开关信号；Uai、Ubi、Uci为A、B、C三相第i个级联功率单元输出电压；Ieai、Iebi、Ieci 为A、B、C三相第i个级联功率单元电源Ei的输出电流。第6章 开关电源设计2.状态方程的建立状态方程的建立对于图6-49所示的n单元级联功率变换电路,其每相输出电压为(6-69)(6-70)(6-71)建立的A、B、C三相所在的三条支路电压方程式，对于对称负载中性点不接地的三相系统依然成立。综合上述分析计算可得图6-49所示功率变换电路的状态方程LI=AI+BE(6-72)第6章 开关电源设计图6-49 三相多单元级联功率变换电路图第6章 开关电源设计其中第6章 开关电源设计 第6章 开关电源设计式(6-72)适用于任何具有相同拓扑结构的级联型功率变换电路，不论是普通级联型多电平电路还是混合级联型多电平电路。第6章 开关电源设计6.8.6 多电平控制方法多电平控制方法 适应多电平变换器的控制方法要分为三角载波PWM技术和空间电压矢量PWM(SVPWM)技术两大类。三角载波PWM技术可分为消谐波PWM(SHPWM)、三角载波移相PWM(PSPWM)和开关频率最优PWM(SFOPWM)等方法。研究合适的控制方法是研究的重要内容之一。首先有以下定义：调制频率fm：调制波的频率，即功率变换电路输出电压基波频率。在SPWM中，调制频率即为参考正弦波的频率。第6章 开关电源设计载波频率fc：三角载波的频率，确定了功率变换电路中功率开关元件的开关频率和系统控制周期。频率调制比Pf：频率调制比定义为载波频率fc与调制频率fm之比，即(6-73)幅值调制比Pm：调制波幅值Am与三角载波幅值Ac之比，即(6-74)正电平级数N：M电平功率变换器输出正电平数，有关系式(6-75)第6章 开关电源设计1.SHPWM方法方法SHPWM方法的原理是，电路的每一相使用一个正弦调制波和几个三角载波相比较。例如对于一个正电平级数为N的功率变换电路，每相采用N个相同频率f0、相同幅值Ac的三角波与一个频率为fm、幅值为Am的参考正弦波进行比较，在正弦波与三角波相交的时刻，如果正弦波的幅值大于某个三角波的值，则开通相应的开关器件，否则关断该器件。第6章 开关电源设计2.SFOPWM方法方法SFOPWM(Switch Frequency Optional PWM)方法与SHPWM方法类似，它们的载波要求相同，但前者的正弦调制波中注入了零序分量。对于一个三相系统，此零序分量是三相正弦波瞬态最大值和最小值的平均值，所以SFOPWM方法的调制波是通常的三相正弦波减去零序分量后得到的波形。第6章 开关电源设计3.SVPWM方法方法SVPWM方法是根据两电平空间矢量控制法推广得到的，其控制思想与两电平一致。所不同的是，多电平的电压矢量更密集，模的大小可选择种类更多，合成时过渡更自然，合成磁链更接近圆形，因而控制更精确，输出电压谐波更小。但是这样也带来了控制上的复杂性，当应用于5电平以上的多电平电路时，其控制算法将变得非常复杂。第6章 开关电源设计4.三角载波三角载波PSPWM方法方法三角载波PSPWM(Triangular Carrier Phase Shifting PWM)方法的原理是，每个模块的PSPWM 信号都由一个三角载波和一个正弦波比较产生，所有模块的正弦波都相同，但每个模块的三角载波与它相邻模块的三角载波之间有一相移，这一相移使得各模块所产生的PSPWM脉冲在相位上错开，从而使各模块最终叠加输出的PSPWM波的等效开关频率提高。第6章 开关电源设计5.调制波载波调制波载波PSPWM方法方法级联型多电平每一相由N个相同的功率单元级联而成，同相级联不同功率单元的载波仍相互错开e角度，每一功率单元由两个正弦参考波与载波比较产生PWM控制脉冲。如果电压的调节通过改变参考波的幅值实现，则这种控制方法即为载波移相PWM(载波PSPWM)。如果电压的调节通过改变参考波之间的夹角实现，同时保持参考波幅值不变，也可以调节输出电压，则这种控制方法称为调制波载波移相PWM。第6章 开关电源设计6.8.7 基于离散自然采样法的基于离散自然采样法的PWM控制策略控制策略1.自然采样法自然采样法级联型功率变换器拓扑结构较传统两电平结构复杂、控制繁琐。级联型逆变器由基本功率单元级联而成，每一个功率单元为全桥逆变电路，由左、右两个桥臂组成，每一桥臂高压侧和低压侧的两只功率元件不能同时导通。可以用一路PWM控制信号和它的反相信号分别控制同一桥臂的两只功率元件，这样每一功率单元需要两路独立的PWM信号控制。第6章 开关电源设计对于三相N级多电平逆变器，每相由N个功率单元级联构成，整个逆变器有3N个功率单元，每个功率单元需要2路独立的PWM控制信号，故逆变器控制器需要6N路PWM控制信号。3单元级联7电平输出电压3 kV逆变器共有9个功率单元，需要18路独立PWM控制信号。对于6 kV 6单元级联多电平逆变器,功率单元将需要18个，相应的独立PWM控制信号路数也变为36路。如此数量庞大的PWM控制信号仅由微控制器中的硬件PWM生成单元采用计数器加比较单元的规则采样法产生，那么每一路PWM控制信号都需要一个独立的计数器和一个独立的比较单元。对于通用的信号处理器，使用硬件生成数目如此庞大的PWM信号十分困难，且在每个载波周期中，都要重新计算6N路PWM控制信号的占空比，这对控制器的CPU是沉重的负担，且硬件利用率较低。第6章 开关电源设计以3单元级联多电平功率变换电路的PSPWM为例，图6-50给出了生成级联3个单元左、右桥臂的 PWM控制原理图。C1、C2、C3为级联3个功率单元左桥臂PWM控制三角载波信号，其反相为、与调制波比较产生三个功率单元右桥臂的PWM控制信号。比较器实时比较调制波和三角载波的幅值，在t1时刻，调制波幅值大于载波幅值，输出高电平；t2时刻后，调制波幅值小于载波幅值，输出低电平；t3时刻，调制波幅值再次大于载波幅值，输出跳变为高电平。第6章 开关电源设计图6-50 自然采样法PWM控制原理图第6章 开关电源设计级联型多电平功率变换器由多个功率单元级联而成，每一相级联功率单元数为N，同一相级联的功率单元的参考波相同，两个相邻的功率单元载波有相位差。相位差e由以下公式计算:(6-76)从自然采样法PWM生成原理可以看出，该算法需要实时跟踪三角载波和调制波,由比较器实时比较二者的幅值,按比较规则确定正确的输出电平。采用模拟器件生成调制波和载波,由模拟比较器比较输出的方法,结构复杂,受环境影响大。采用数字控制器可避免上述缺陷,但自然采样法需要求解超越方程，并且含有三角函数和多次加法、乘法运算,工作量巨大，需离线计算。第6章 开关电源设计2.离散自然采样法离散自然采样法鉴于以上分析，本课题对自然采样法进行改造，使其便于用数字控制器实现，以解决硬件产生PWM的困难及自然采样法运算量巨大的问题。规则采样法的特点是把调制波周期分解成多个载波周期，在一个载波周期内，只需一次计算调制波的幅值即可计算出占空比。自然采样法的特点是不需要