朱友秀

DOI：10.16661/j.cnki.1672-3791.2017.25.052

摘 要：直流電源的用途廣泛，現(xiàn)今較為常見的直流電源多采用的是輸入220V的交流電，輸出電壓則在1～300V的區(qū)間范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)可連續(xù)調(diào)節(jié)。為了使得直流電源具有較強(qiáng)的適用性，開發(fā)一種功率密度高、功率因數(shù)高、高效率的直流數(shù)字穩(wěn)壓電源，在直流數(shù)字穩(wěn)壓電源的設(shè)計(jì)中選用APFC作為輸入級以全橋變換器作為主功率變換拓?fù)?，在直流?shù)字穩(wěn)壓電源的設(shè)計(jì)中使用C2000系列的控制器作為直流數(shù)字穩(wěn)壓電源的主控芯片。直流數(shù)字穩(wěn)壓電源在電源控制上選用基于峰值的電流模式的移相控制作為開發(fā)策略。本文將就直流數(shù)字穩(wěn)壓電源的設(shè)計(jì)開發(fā)要點(diǎn)進(jìn)行分析介紹。

關(guān)鍵詞：直流數(shù)字穩(wěn)壓電源 APFC 移相控制

中圖分類號：TM44 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1672-3791（2017）09（a）-0052-02

直流數(shù)字穩(wěn)壓電源是一種在工業(yè)生產(chǎn)和生活中應(yīng)用十分廣泛的電源。在直流數(shù)字穩(wěn)壓電源的設(shè)計(jì)過程中需要注意做好直流數(shù)字穩(wěn)壓電源的保護(hù)和抗電壓、電流過載的能力。Boost電路在PFC中有著廣泛的應(yīng)用，當(dāng)使用Boost電路作為輸入級時，能夠有效地提高直流數(shù)字穩(wěn)壓電源的功率因數(shù)，同時減少電路中的諧波產(chǎn)生。全橋拓?fù)涫且环N大功率電源中有著良好應(yīng)用的拓?fù)溥x擇，通過在直流數(shù)字穩(wěn)壓電源中選用移相控制策略將能夠使得直流數(shù)字穩(wěn)壓電源的拓?fù)鋵?shí)現(xiàn)軟開關(guān)，從而有效消除直流數(shù)字穩(wěn)壓電源中開關(guān)頻率的限制，提高了直流數(shù)字穩(wěn)壓電源的可用性。

1 直流數(shù)字穩(wěn)壓電源設(shè)計(jì)原理

在直流數(shù)字穩(wěn)壓電源的設(shè)計(jì)過程中主要涉及到AC-DC/DC-DC兩大轉(zhuǎn)換環(huán)節(jié)，前一環(huán)節(jié)首先將AC電轉(zhuǎn)換為DC電，而后為實(shí)現(xiàn)DC電壓可調(diào)需要設(shè)計(jì)相應(yīng)的調(diào)節(jié)電路。為實(shí)現(xiàn)上述目標(biāo)，在AC-DC級中選用的是Boost拓?fù)渫ㄟ^特定的控制方法來實(shí)現(xiàn)有源功率因數(shù)的校正，減少直流數(shù)字穩(wěn)壓電源所產(chǎn)生的諧波量。在DC-DC級設(shè)計(jì)時為使得直流數(shù)字穩(wěn)壓電源能夠具有良好的可調(diào)節(jié)性，在電路上選用的是移相全橋電路，在消除變壓器所帶來的偏磁的同時還具有良好的電壓相應(yīng)性。此外，在直流數(shù)字穩(wěn)壓電源的控制中還實(shí)現(xiàn)了軟開關(guān)。

2 直流數(shù)字穩(wěn)壓電源的硬件設(shè)計(jì)

在直流數(shù)字穩(wěn)壓電源的硬件設(shè)計(jì)時，針對DC-DC級選用的是有源功率因數(shù)校正技術(shù)（APFC），通過采用APFC將能夠使直流數(shù)字穩(wěn)壓電源的功率因數(shù)得到提高，減少電流的畸變。在硬件設(shè)計(jì)時，從交流端所輸入的電流經(jīng)過橋式二極管整流后進(jìn)入DC-DC變換級，通過硬件整形控制使得輸出電流能夠跟蹤輸入整流電壓波形，保障輸出電壓的穩(wěn)定性和波形的跟蹤性。在直流數(shù)字穩(wěn)壓電源的硬件設(shè)計(jì)中，主要包含有兩個主要的控制環(huán)：電流內(nèi)環(huán)和電壓外環(huán)，其中電流內(nèi)環(huán)主要用于保障輸入電流波形能夠良好的跟蹤輸入電壓波形，且兩者之間無明顯的相位偏差。而電壓外環(huán)則主要用于確保交流電經(jīng)過變壓器變換后能夠有穩(wěn)定的輸出。直流數(shù)字穩(wěn)壓電源的控制器選用的是UCC28019，其所具有的良好的保護(hù)功能能夠?qū)χ绷鲾?shù)字穩(wěn)壓電源形成良好的保護(hù)。Boost-PFC電路主要分為濾波部分、控制部分以及主電路部分。在直流數(shù)字穩(wěn)壓電源中所使用的移相全橋電路在設(shè)計(jì)時對于電路所使用元器件參數(shù)選擇時應(yīng)當(dāng)將最高輸出電壓作為輸出電壓進(jìn)行考慮。在移相全橋DC-DC主電路設(shè)計(jì)時，使用4個MOSFET開關(guān)管用以組成一個全橋電路，用以將AC-DC轉(zhuǎn)換所形成的直流電壓轉(zhuǎn)換成方波交流電，待到轉(zhuǎn)換完成后經(jīng)過變壓器的變壓及隔離，而后使用全橋的變壓整流特性輸出整流后的方波直流電壓，整流方波直流電壓經(jīng)過后續(xù)電路的濾波電路將最終輸出所需的直流電壓。在直流數(shù)字穩(wěn)壓電源中所使用的橋式拓?fù)渲饕峭ㄟ^利用開關(guān)管的特性利用增加開關(guān)管的數(shù)量的方式用以降低開關(guān)管的電壓應(yīng)力。在直流數(shù)字穩(wěn)壓電源的硬件設(shè)計(jì)中所采用的全橋整流方式與其他方式相比較省去了直流數(shù)字穩(wěn)壓電源硬件變壓器中的中心抽頭，從而使得變壓器的次級繞組匝數(shù)得到了有效減少。通過選用這一硬件設(shè)計(jì)方式將能夠使得直流數(shù)字穩(wěn)壓電源能夠應(yīng)用于一些電流較大、電壓較高的場合，且通過簡化直流數(shù)字穩(wěn)壓電源的結(jié)構(gòu)使其具有良好的性價比。在直流數(shù)字穩(wěn)壓電源軟開關(guān)功能的設(shè)計(jì)上，在直流數(shù)字穩(wěn)壓電源中通過采用軟開關(guān)技術(shù)將能夠有效地降低甚至是消除直流數(shù)字穩(wěn)壓電源硬件中所使用的開關(guān)管在工作過程中所產(chǎn)生的電壓或是電流重疊問題，降低直流數(shù)字穩(wěn)壓電源中所使用的開關(guān)管的電壓及電流的變化率從而使得開關(guān)管的有用功率得到提升，通過這一方式將能夠使得直流數(shù)字穩(wěn)壓電源獲得更高的開關(guān)頻率。移相全橋主要利用的是直流數(shù)字穩(wěn)壓電源中所使用的開關(guān)管的寄生輸出電容和變壓器原邊漏感之間的諧振，從而實(shí)現(xiàn)直流數(shù)字穩(wěn)壓電源的軟開關(guān)，而為了增強(qiáng)直流數(shù)字穩(wěn)壓電源的諧振效果，在直流數(shù)字穩(wěn)壓電源的硬件設(shè)計(jì)上需要在開關(guān)管邊并聯(lián)電容并在變壓器初級串聯(lián)一個小電感用以增強(qiáng)直流數(shù)字穩(wěn)壓電源的諧振特性。在直流數(shù)字穩(wěn)壓電源的硬件設(shè)計(jì)中主要使用C2000系列的控制芯片，這一系列的芯片所具有的特性能夠在應(yīng)用于本直流數(shù)字穩(wěn)壓電源所采用的移相全橋電路中發(fā)揮出較為良好的效果。在移相全橋控制電路中，所使用的C2000系列芯片能夠產(chǎn)生PWM控制波，經(jīng)過驅(qū)動變壓器隔離驅(qū)動全橋的兩個臂橋。待到直流數(shù)字穩(wěn)壓電源的全橋電路正常工作時將會在主動電路中形成一定的電壓和電流，經(jīng)過采樣后的電壓和電流將與控制電路中的參考電壓、電流進(jìn)行對比并跟進(jìn)對比的結(jié)果輸出PWM控制波，用以得到所需的電壓和電流輸出。

3 直流數(shù)字穩(wěn)壓電源中的數(shù)字式移相全橋的軟件設(shè)計(jì)

在直流數(shù)字穩(wěn)壓電源的控制中主要采用的閉環(huán)控制系統(tǒng)，外環(huán)所使用的電壓環(huán)完成對于直流數(shù)字穩(wěn)壓電源輸出電壓的采樣，而后將采樣信號與直流數(shù)字穩(wěn)壓電源中的參考電壓相對比，并將對比結(jié)果輸送到直流數(shù)字穩(wěn)壓電源中的數(shù)字控制器中。直流數(shù)字穩(wěn)壓電源所使用的數(shù)字控制器通過輸出與一定斜坡補(bǔ)償進(jìn)入到電流控制環(huán)中，直流數(shù)字穩(wěn)壓電源中的電流內(nèi)環(huán)通過將電壓環(huán)中的電流峰值與采樣電流值進(jìn)行對比用以實(shí)現(xiàn)對于直流數(shù)字穩(wěn)壓電源輸出電流、電壓的調(diào)節(jié)。在直流數(shù)字穩(wěn)壓電源的設(shè)計(jì)過程中，通過采用TMS320F28027芯片來進(jìn)行直流數(shù)字穩(wěn)壓電源的數(shù)字式軟件控制設(shè)計(jì)。根據(jù)直流數(shù)字穩(wěn)壓電源的控制特性來對控制程序進(jìn)行設(shè)計(jì)，其中控制程序主要分兩大部分：C語言和匯編語言。

4 直流數(shù)字穩(wěn)壓電源的測試

在完成了對于直流數(shù)字穩(wěn)壓電源的設(shè)計(jì)后，需要對直流數(shù)字穩(wěn)壓電源進(jìn)行測試。直流數(shù)字穩(wěn)壓電源去主要目的是將輸入的交流電轉(zhuǎn)化為所需要電壓的直流電，同時輸入側(cè)還具有較高的功率因數(shù)。此外，還需要對直流數(shù)字穩(wěn)壓電源輸出的穩(wěn)定性、輸出的效率進(jìn)行一定的測試。

5 結(jié)語

直流數(shù)字穩(wěn)壓電源在工業(yè)上應(yīng)用較多，通過對設(shè)計(jì)完成后的直流數(shù)字穩(wěn)壓電源進(jìn)行測試后發(fā)現(xiàn)，本設(shè)計(jì)中所采用的有源功率因數(shù)校正電路工況特性良好，且能夠在工作中有效地提高直流數(shù)字穩(wěn)壓電源的功率因數(shù)，此外電源所具有的軟開關(guān)特性在降低了開關(guān)損耗的同時提高了電源的功率密度和效率。

參考文獻(xiàn)

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