家用电器稳压电源-PWM部分设计

摘 要脉 宽 调 制 是 利 用 微 处 理 器 的 数 字 输 出 来 对 模 拟 电 路 进 行 控 制 的 一 种 非常 有 效 的 技 术 ，广 泛 应 用 在 从 测 量 、通 信 到 功 率 控 制 与 变 换 的 许 多 领 域 中 。 本论文阐述一种利用等脉冲宽度调制（EPWM）技术配合高速电子开关、高频电子变压器和 LC 滤波器实现交流开关式稳压电源的 实现思路并组装出样机予以测试。与 传统的可控硅调角式交流稳压电源相比，具有效率高、体 积小、非线性失真度低、输出电压和电流 稳定等特点。关键词：交流稳压，变换，EPWM 控制1Regulated power supply design of household appliancesEPWM Control Circuit DesignAbstractPulse width modulation is the use of the microprocessor to the digital output of analog circuits for the control of a very effective technology, widely used in from the measurement, control and communications to power in many areas of transformation.In this paper, the design of a paper on the use of pulse width modulation (EPWM) technology with high-speed electronic switches, high-frequency electronic transformer and LC filter to achieve the exchange of switch-mode regulated power supply and the realization of ideas to the test assembly of the prototype. Tune with the traditional angle of thyristor AC power supply, compared with a high efficiency, small size, low nonlinear distortion, the output voltage and current characteristics of stability.Keywords：AC voltage Stabilizer, Transform, EPWM Control2目 录1 前言 .12 方案论证 .23 设计要求 .24 系统总体框图 .25 硬件电路的设计 .35.1 变换电路 .35.2 EPWM 控制电路 .55.2.1 电压整流检测电路 .95.2.2 对电压波动进行正负补偿的控制电路路 .115.2.3 三角波发生器电路 .125.2.4 状态切换触发电路 .125.2.5 稳压补偿过程 .156 总结 .16谢词 .16参考文献 .17附录 1 .1831 前言随着高新技术的发展，越来越多的高精密负载对输入电源，特别是对交流输入电源的稳压精度要求越来越高。但是，由于电力供求矛盾的存在，市电电网电压的波动较大，不能满足高精密负载的要求，需要在市电电网与负载之间增设一台高稳压精度的宽稳压范围的交流稳压电源。电源技术尤其是数控电源技术是一门实践性很强的工程技术，服务于各行各业。电 力电子技术是电能的最佳应用技术之一。当今电源技术融合了电气、 电子、系统 集成、控制理论、材料等 诸多学科领域。随着计算机和通讯技术发展而来的现代信息技术革命，给电 力电子技术提供了广阔的发展前景，同时也给电源提出了更高的要求。随着数控电源在电子装置中的普遍使用，普通电源在工作时产生的误差，会影响整个系 统的精确度。 电源在使用 时会造成很多不良后果，世界各国纷纷对电源产品提出了不同要求并制定了一系列的产品精度标准。只有满足产品标准，才能够进入市 场。随着 经济全球化的 发展， 满足国际标准的产品才能获得进出的通行证。数控 电源是从 80 年代才真正的发展起来的，期间系统的电力电子理论开始建立。 这些理论为其后来的发展提供了一个良好的基础。在以后的一段时间里，数控电 源技术有了长足的发展。但其产品存在数控程度达不到要求、分辨率不高、功率密度比较低、可靠性 较差的缺点。因此数控电源主要的发展方向，是针对上述缺点不断加以改善。单片机技 术及电压转换模块的出现为精确数控电源的发展提供了有利的条件。新的变换技术和控制理论的不断发展，各种类型专用集成电路、数字信号处理器件的研制 应用，到 90 年代，己出现了数控精度达到 0.05V 的数控电源，功率密度达到每立方英寸 50W 的数控电源。从组成上，数控电源可分成器件、主电路与控制等三部分。目前在 电力电子器件方面，几乎都为旋纽开关调节电压， 调节精度不高，而且经常跳变，使用麻烦 1。随着数控电源技术的发展，PWM 脉宽调制技术已成为稳压电源的一个热点。脉宽调制( PWM:(Pulse Width Modulation)是利用微处理器的数字输出来对模拟电路进行控制的一种非常有效的技术，广泛应用在从测量、通信到功率控制与变换的许多领域中。本文正是一种利用等脉冲宽度调制（EPWM）技术配合高速电子开关、高频电子变压器和 LC 滤波器实现交流开关式 稳压电源的。42 方案论证方案一：感 应 式 交 流 稳 压 器 。是将铁磁谐振变压器固定不变的次级谐振回路改成其谐振功率可根据不同负载情况自动进行调整的结构，即次级谐振回路中的谐振电容中，至少有一个 谐振电容通过切换开关自动切换与输出主绕组 靠 改 变 变 压 器 次 、初 级 电 压 的 相 位 差 ，使 输 出 交 流 电 压 稳 定 。方案二：晶 闸 管 交 流 稳 压 器 。用 晶 闸 管 作 功 率 调 整 元 件 。稳 定 度 高 、反 应快 且 无 噪 声 。但 对 通 信 设 备 和 电 子 设 备 造 成 干 扰 。方案三：多补偿变压器式交流稳压电源。所谓多补偿变压器式交流稳压电源，就是用多个（一般是 24 个）补偿变压器，将其次级串入主电路中，通过由双向晶闸管或固态继电器组成的“多全桥” 变换电路，采用有选择的切换或通过切换串入补偿变压器的个数进行有级补偿，来达到稳压目的。方案四：对方案三取其优点、避其缺点，提出了用等脉宽调制（EPWM equal上pulsewidthmodulation）高频斩波器进行补偿的交流稳压电源以供参考。它是对曾经研制和发表过的“PWM 斩波器式交流稳压电源”的一种改进变形电路 2，比原电路更简单，也更合理一些。通过对以上几种方案的比较，我们选择方案四，采用等脉宽调制高频斩波器进行补偿的交流稳压电源。3 设计要求（1）整流滤波电路的设计；（2）P F C 电路的 设计；（3）变换电路的设计；（4）PWM 控制电路设计；（5）辅助电源的设计；4 系统总体框图本系统采用一种利用等脉冲宽度调制（EPWM）技术配合高速电子开关、高频电子变压器和 LC 滤波器实现交流开关式稳压电 源的实现思路。市电电压经整流滤波变为较为平滑的 310V 直流电压由 PFC 高功率因数校正电路校正为功率因数较高的直流后输入变换电路。变换电路是由 EPWM 斩波式脉冲调制控制电路来进行控制的，同时 EPWM 控制电路还要进行电压补偿已达到稳压的目的。系统整体框图如图 1 所示。整 流滤 波P F C 校正电路变 换电 路输 出滤 波辅 助电 源PWM 控制 电 路市 电220V5图 1 交流稳压总体框图5 硬件电路的设计本交流稳压电源是一种利用等脉冲宽度调制（EPWM）技术配合高速电子开关、高频电 子变压器和 LC 滤波器实现交流开关式 稳压电源的实现思路。市电电压经整流和滤波电路产生一组非稳定的直流电压，提供给高速电子开关以实现能量交换。从市 电直接取得交流电压，首先经过 D1D4 桥式整流，C9、R23 和 C10、R24 组成的 RC 滤波后再次经过 C11 滤波，最后获得平滑的输出直流电压。该直流电压经 PFC 功率因数校正电路 获得较高的功率因数后送往后续电路。 PFC 电路的供电电源采用+15V 的辅助电源供电，同时该辅助电源也对 PWM 控制电路供电。由于 该交流稳压电源设计是和同学两人一起做，本人负责交换电路、输出滤波和 PWM 控制电路，所以前面的整流滤波电路、PFC 校正电路、辅 助电源和显示电路不多做累述。下面将详细 介绍交换电路、 输出滤波和EPWM 控制电路。5.1 变换电路变换电路 3是将从 PFC 输出的高功率因数的平滑直流电压变为波形为方波的交流电。 变换电路是由 EPWM 桥式斩波器 S1S4 及其输出变压器 Tr、直流整流电源 D1D4 和输出交流滤波器 Lf、Cf组成。 桥式斩波器是串联在 PFC 校正电路和负载之间的，以便 对变换后的电压波动进行正、负补偿。 电路如图 2 所示：CfD1D4D2D3LfTrCdPFC上 上上上EFUefS1 S2S3 S4图 2 变换电路6桥式斩波器输出电压中的谐波，由滤波器 Lf、Cf 来滤除。由谐波幅值(Um/k)sinkD 可以算出，当载波三角波频率 fc=10kHz，N=200，D=0.10.9 时，基波与各次谐波的幅值如表 1 所列。基波和各次谐波与调制比亦即占空比 D 的关系曲线如图 3 所示。可知 EPWM 正弦斩波电压的谐波频率与载波比 N 成正比，N 越大谐波频率越高，所需的滤 波器 LF、CF 的参数值也越小。所以，根据表 1 及图 3可以计算 LF 及 CF 的值。桥式斩波器所需的直流电源，由取自 PFC 校正电路 输出端的电源 Ui，通过整流器 D1D4 来供给。这 里应该指出的是， EPWM 桥式斩波器 S1S4 并不是工作在逆变器状态，而是工作在桥式斩波器状态。 这 是由它的 EPWM 工作方式、直流电源电压波形和直流电容 Cd 值的大小及其功能来区分的 4。表 1 基波与各次谐波的幅值（fc=10kHz，N=200）b1/Um 0.1 0.2 0.3 0.4 .5 0.6 0.7 0.8 0.9b199/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 -0.0935 0 0.0935 0.1514 0.1514 0.0935b401/Um -0.0935 -0.1514 -0.1514 -0.0935 0 0.0935 0.1514 0.1514 0.0935b599/Um -0.0858 -0.1009 -0.0328 0.0624 0.1061 0.0624 -0.0328 -0.1009 -0.0858b601/Um -0.0858 -0.1009 -0.0328 0.0624 0.1061 0.0624 -0.0328 -0.1009 -0.0858b799/Um -0.0757 -0.0468 0.0468 0.0757 0 -0.0757 -0.0468 0.0468 0.0757b801/Um -0.0757 -0.0468 0.0468 0.0757 0 -0.0757 -0.0468 0.0468 0.075771 2 3 4 5 6ABCD654321DCBATitleNumber RevisionSizeBDate: 9-May-2009 Sheet of File: E:上上上上上上上上上上上上BACKUP2.DDBrawn By:b/U0.10.20.30.40.50.6-0.1-0.2-0.3-0.4-0.5-0.60 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1.0b1/UMb801/Um b601/Umb401/Umb201/Umb799/Um b599/Umb399/UMb199/UmD图 3 谐波分量与占空比 D 的关系曲线桥式斩波器的直流电压，不是通过电容 Cd 把整流电压滤 波成恒定的平滑直流电压，而是仍然为单相桥 式整流电压的波形。直流电容 Cd 不再具有直流滤波功能，而只是为了创造一个 续流通路而设置的。 对于感性负载，在一个 斩波开关周期内续流的能量是很小的（由于斩波频率较高），所以 Cd 的值也很小，Cd 的充放电速度很快，不会影响整流 电压的上升或下降速度，使 Cd 上的电压与不滤波的整流电压波形相同。也就是 说，由于 电容 Cd 的值 很小，它只允 许续流电流通过，不再具有直流滤波功能，因此对整流波形不产生影响。这就说明桥式斩波器是工作在 EPWM 斩波状态，而不是工作在逆变状态。N 沟道增强型场效应管的栅极控制脉冲是由 PWM 控制电路产生并进行控制的。当 PWM 控制电路产生的正交三角波的下降沿时 S1 和 S4 导通，上升沿 时 S2 和 S3 导通。输出电压 Uef 为方波交流电压。二极管 D1D4 为场效应管 S1S4 漏极和源极提供合适的电压压降。5.2 EPWM 控制电路斩波式交流稳压电源的控制电路，是由输入电压整流检测电路、比较电路、EPWM 电路和桥式斩波器开关 S1S4 工作状态的切 换和触发电路组成。在电压整流检测电路中，加入对滤 波电感 LF 上的电压检测 ，是为了减小滤波电感 LF的电抗对稳压精度的影响。8EPWM 是由 P.D.Parkh，S.R.Paradla 于 1983 年首先提出来的 5。其原理是采用用直流形式表示的误差电压 U 与三角波电压 uc 进行比较如图 4(c)所示，在直流误差电压 U 大于三角波电压的部分产生出等脉宽调制脉冲，如图 4(d)所示。用图 4(d)的等脉 宽调制脉冲去触发桥式斩波器中相应的开关管 S1S4，就可以在桥式斩波器的两桥臂中点 E 和 F 之间产生出 EPWM 正弦斩波电压波形，如图 4(e)所示。经过滤波器 LF、CF 滤波后，就可以在变压器 Tr 初级得到正弦补偿电压 Uef1，如图 3(f)所示。Uef1 在 Tr 次级产生补偿电压 Uco。当对市电电压进行正补偿时，补偿电压 Uco 与市电电压相位相同；当对市电电压进行负补偿时，补偿电压 Uco 与市电电压 相位相反。图 4 是针对正补偿情况画出来的，对负补偿也可以画出相应的波形图。交流稳压电路的 EPWM，与正弦斩波电压的生成如图 4 所示。其中图 4(a)为整流器 VD1VD4 的交流输入电压波形，图 4(b)为直流电容 Cd 上的电压波形，图 4(c)为 EPWM，图 4(d)为 EPWM 产生的桥式斩波器中开关管 V1V4 的触发脉冲波形，图 4(e)即为 EPWM 正弦斩波电压波形， 图 4(f)为 Tr 初级补偿电压波形。91 2 3 4 5 6ABCD654321DCBATitleNumber RevisionSizeBDate: 9-May-2009 Sheet of File: E:上上上上上上上上 上上上上shuikongzhi.DDBDrawn By:UL0 2Ucd02上a上上上上上上上0 20 20 20 20 20 202上b上上上Cd上上上上U上c上PWMUcmUgs1Uab1UabUgs2Ugs3Ugs4上d上上上上上上上 上上上e上EPW M上上上上上上上f上上上上上图 4 EPWM 斩波式交流稳压电源的工作波形图10EPWM 斩波器式交流稳压电源控制电路工作原理:当市电电压波动时，通过对 PFC 输入电压 Us 及滤波电感 LF 上电压的整流 检测电路，得到 电压信号 Usl，将 Usl 与基准参考电压 Ur 进行比较，得到误差电压 U。当 UslUr 时（市电电压上波动）得动U ， U 使 EPWM 调制器中的比 较器 U2 不能工作，只能使比较器 U1 工作，U 通过 与三角波 uc 在 U1 中进行比 较，在U 大于三角波的部分产生出 EPWM 脉冲信号，此信号通过“状态切 换触发电路”对桥式斩波器中的开关管 V1V4 进行控制，在其输出变压器 Tr 次 级产生负补偿电压uco，使负载电压 UL=USUco=Ur；当 US,LUr 时须进行负补偿，使 Us Uco=UL=Ur；当 Us222V 时下支路工作，上支路不工作，USL 与 Ur2 在 U2 中进行比较， 产生出正误差电压 U ，U 经过 PI2 放大后与三角波 uc 在 U4 中进行比较， 产生出使桥式斩 波器对市电电压进行负补偿的控制。基准电压给定电路给出两个基准电压（Ur1=218V 与 Ur2=222V）的目的，是为了当市电电压 US在 218V222V 之间时不使稳压电源工作，以避免市电电压 US 在（2202）V 区间内稳压电源产生正负补偿振荡，使输出电压不稳定，这一点在图 1 中没有表明。这里需要指出的一点是，图 6 中运放 PI1 和 PI2 的放大倍数，与补偿变压器 Tr1的初次级变比 1：1、检测变压器 Tr2、Tr3（两个变压器完全相同）的初次级变比2：1、三角波的电压幅值 Ucm 及市电电压的幅值 Um 有关。 PI1 及 PI2 的放大倍数 mcUK21当 Tr1、Tr2、Tr3 的变化相同时 21mc145.2.3 三角波发生器电路三角波发生器电路由一个方波电压发生器（U7）和一个 积分器（U8 ）组成，如图 7 中 U7 及 U8 所示，这 种电路在 UPS 中是常用的 6对于 EPWM 正弦斩波电压波形，为了使此波形具有半波奇对称，和四分之一波偶对称，以消除其傅里叶 级数中的余弦项和正弦项中的偶次谐波，使载波比N=fc/f=4k，即三角波频率 fc 为市电频率 f 的 4 整数倍。 调制比M=t/T=U/Ucm，t 为脉冲宽度， T=1/fc 为三角波周期、Ucm 为三角波幅值，如图 4（e）所示。可知， M=t/T 就是 EPWM 正弦斩波电压波形的占空比 D，即M=t/T=D。载波三角波的方程式为 .32121,2 21 i iTtiTitTUcmcR10R9R8R7R6D13 U7U8C1C2G图 7 三角波发生器电路三角波频率与方波电压发生器的频率相同，当方波电压发生器中的电阻R8=0.86R9 时，三角波频率fc1/（1/2R10C 2）5.2.4 状态切换触发电路状态切换与触发电路如图 8 电路所示。它是由脉冲变压器Tr4、Tr5、Tr6、Tr7 及其下面的两个三极管组成的。图中 U9、U10 是将 PFC 输出电压变换成与其相对应的正、 负半周方波电压。 U9 得到与 Us 正半周相对应的方波电压， U10 得到与 Us 负 半周相对应的方波电压。当调制电平为 U 时，可求出触发脉冲起始点 ti 和 终止点 ti1 的方程式 7：15UcmTititTUcmii 212,UcmTititTUcmii 212,1则脉冲宽度为： NTiictt/21各触发脉冲的起始角和终止角的数值为： .;3;3;11421DNUcm由图 4(e)可以看出，EPWM 正弦斩波电压波形是镜对称和原点对称，因此，在它的傅里叶级数中将不包含余弦项和正弦项中的偶次谐波，只包含正弦项中的奇次谐波，即n 为奇数si1ntbtf 式中 20i4tdtf对于基波，n=1。由于被 EPWM 斩波的波形是正弦波，即 f(t)=Umsint，所以 424sinii43,12221143DUmNTxdUmbpDP 16对于谐波，则 21 43sinsin4xdxdUbmn对于谐波，则 sinsin4123,1kDUmxdbNpPkN当 时，1kn01kNnb所以 EPWM 正弦斩波电压的傅里叶级数表示式为 1sinsisi1 kab tkNkDUmtDUmu 考虑到 Tr 的 变比 :1，补偿电压 Uco 表示式为 1sinsisin1kco tkktu用 LFCF 滤除高次谐波后得到补偿电压为 sinLcouDtUmu状态切换触发电路的切换采用的是三极管与门的工作原理，如图 7 所示。触发电路采用的是脉冲变压器输出形式，当然也可以采用光耦的输出形式。切换电路有两组输入信号，每组两个 输入信号，即正 补偿与 负补偿，正半周方波与 负半周方波。因此，应有 4 组触发电路，即由 Tr4、V1、V2 组成的正补偿正半周触发电路；由 Tr6、V5、V6 组成的正 补偿负半周触发电路；由 Tr7、V7、V8 组成的负补偿正半周触发电路和由 Tr5、V3、V4 组成的负补偿负 半触发电路。每一种触发电路，只有当脉冲变压器下面的二个三极管同时导通时才能输出触发脉冲。脉冲变压器下面的两个三极管，其中一个受正负补偿信号的控制，另一个受正负半周方波电压的控制。因此，四种触发电路对应于市电电压 的每半个周期中，只有一种触发电路输出触发脉冲，其它 3 种触发电路不工作。由于正负方波电压的加入，4 种触发电路之间每半个周期转换一次，而且转换是在市电电压过零时进行。因此，触发电 路的切换不会对输 出产生冲击。17R13R14R15R16R17R18RES2R11R12D14D19D25D17D14D22D18D21D16 D20D23D24D26D27Tr5U9U10V1V2V3V4V7V8V6V5Tr7Tr4 Tr6S4S1 S3S2S4S1S2S315VJHI图 8 状态切换触发电路5.2.5 稳压补偿过程空载时假定 USUr 时 ，则负补偿控制电路工作，并使 V4、V8 导通。在市电电压正半周，U9 使 V1、V7 导通。由于 V7、V8 导通， Tr7 输出触发脉冲，使斩波桥中S2、S3 导通。在市电电压负 半周， U10 使 V3、V5 导 通，由于 V3、V4 导通，Tr6 输出触发脉冲，使斩波桥中 S1、S4 导通， 对市电电压进行负补偿。补偿电压 Uco 的大小，与 Ur1USL=U 的大小成比例。如果此时加 载，IS0 ，则 Tr2 检测的电压降 XIS 使 US 增大，因而 U 减小，补偿电压 Uco 也相 继减小，以达到USUco=UL=Ur 的补偿目的。对市电电压的正、负补偿，是通过状态切换触发电路，切换桥式斩波器中开18关管 V1V4 的工作顺序来实现的。如果对应于市电的正半周让 S1 及 S4 导通，对应于市电的负半周让 S2 及 S3 导通，是对市电电压进 行正补偿。 对应于市电正半周让 S2 及 S3 导通，对应于市电负半周 S1 及 S4 导通，就是对市电电压进行负补偿。6 总结此毕业设计的宗旨就是如何将比较容易实现的开关式电源方案引用到交流电源稳定的场合此毕业设计论文阐述一种利用等脉冲宽度调制（EPWM）技术配合高速电子开关、高频电子变压器和 LC 滤波器实现交流开关式 稳压电源的实现思路并组装出样机予以测试。与传统的可控硅调角式交流稳压电源相比，具有效率高、体 积小、非线 性失真度低、输出电压和电流稳定等特点。本文先从交流开关稳压电源的实现机理逐步展开，涉及到可控正弦波产生器、三角波发生器、比较器、脉冲 宽度调制（EPWM ）器、高速电子开关、高频电压变换器以及微处理器及其周边元部件等，都给与较为详尽的阐述。接着对组装、调试、检测 等也有相应的介 绍，最后 给出了按设计要求所测试的结论。谢词几个月的时间匆匆而过，毕业设计即将结束。在 这即将离开学校的时刻，不禁让我想起了这五年来学校对我的照顾和关怀。在这里我首先要感谢母校河南科技学院机电学院！感谢河南科技学院机电学院为我提供一个学习深造的机会。感谢机电学院曾经给予我关怀、教育和培养的各位老师，感谢同学们对我的帮助与鼓励。在论文即将完成之际，我要衷心感谢我的指导教师张老师，本设计自始至终都是在张老师的悉心指导下完成的。从论文的选题、方案论证、开 题、研究工作的开展、关键问题的解决、论文的撰写乃至修改，每一环节都凝聚着恩师的心血。张老师严谨的教学态度、渊博的知识、 对学生诲人不倦的指导与帮助，不 仅使我顺利的完成了毕业设计，也使我们具备了从事科研工作的一些基本技能，为以后的工作奠定了坚实的基础，令我受益匪浅。最关键的是恩师张伟张老师教会了我分析和解决问题的方法， 进一步提高了我在学习、研究和解决问题上的能力，是难得的良师益友。同时感谢我的同学以及我的室友。在整个设计过程中，他们也为我提供了不少帮助，帮我解决了很多困难，使我的 论文得以顺利完成。在大学生活中机电学院的所有同学都曾给以我帮助和关怀，在此一并谢过！所援引的著作，论文作者19在此一并致以感谢！参考文献 1王增福等新编常用稳压电源电路M北京：电子工业出版社，2005:145-167.2全新实用电路集粹从书编辑委员会电源应用电路集粹M北京：机械工业出版社，2005：23-493张文利 ,彭燕昌 ,孙广平 ,严萍 ,张适昌. 高压开关电源的研制 J高电压技术, 2002,(11) .4贾艳明,严萍,庄洪春. 变压器在 IGBT 串联技术中的应用J 变压器, 2005,(05) .5黄晓林. 脉宽调制器 SG 3525 及其在变频电源中的应用研究 J电气传动, 2005,(10) .6白志范,罗汉,吕泽杰,白建国. 新型 HB-ZCT 软开关 PWM 变换器的研究J 电力电子技术, 2003,(01) .7谢春林. 电压驱动型脉宽调制器 TL494J国外电子元器件, 2001,(02) .8黄赞武. 高频