（电力电子与电力传动专业论文）开关线性复合精密电流源的研制.pdf

硕士学位论文 开关线性复合精密电流源的研制 a b s t r a c t w i t ht h ed e v e l o p m e n to f t h ee l e c t r o n i ct e c h n o l o g y , t h eh i g h e rr e q u i r e m e n t so f p o w e rs u p p l ya r cr a i s e di n c l u d i n gh i g he f f i c i e n c y , h i g hp o w e rp r e c i s i o na n dl o we m i ， t h et r a d i t i o n a lp o w e rm e t e rc a l i b r a t i n gs o u l v , eu s u a l l yh a st h es h o r t c o m i n g so f l o w e f f i c i e n c ya n dl a r g ev o l u m e s w i t c h - l i n e a r i t yh y b r i dp o w e rc o n v e r s i o ni sr e s e a r c h e d a n das w i t c h l i n e a r i t yh y b r i dp r e c i s ec u r r e n ts o u l c oi si n t r o d u c e di nt h i sp a p e rt o o v e r g o m et h e s ed e f e c t s ， t h en o v e lp r e c i s ec u r r e n ts o u r c c o n s i s t so fas w i t c h i n gp o w e rm o d u l ea n da l i n e a rp o w e rm o d u l ea n dt a k e st h ea d v a n t a g e so ft h e m af o r w a r dd c d cc o n v e r t e r a n dah y s t e r i s i sc o n t r o li n v e r t e ru s e da s a r e r e g u l a t o r , ap u s h - p u l ll i n e ra m p l i f i e ru s e d a sp o s t r e g u l a t o r t h ep r e r e g u l a t o ra d j u s tt h ei n p u tv o l t a g eo fp o s t r e g u l a t o rt om a k e p u s h - p u l ll i n e ra m p l i f i e rh a se x c e l l e n to u t p u tw a v e f o r m sa n dg o o ds t a b i l i t y an o v e l s e l f - a d a p t i v et h r e e s t a t eh y s t e r e s i sc o n t r o lm e t h o di sa l s op r o p o s e dt os o l v et h e d i s t o r t i o np r o b l e mi ns m a l lo u t p u tc u r r e n ts i l t a t i o n t h er e s u l t so fs i m p l o l e r s i m u l a t i o np r o v et h ef e a s i b i l i t yo ft h i sc u r r e n ts o u i t e ap r o t o t y p eh y b r i dt y p eo f p r e c i s ec u r r e n ts o u l c 它b a s e do nt h e s et e c h n i q u e si sd e s i g n e d e x p e r i m e n t ss h o wt h a t t h i sc u r f c l f f s o u r c eh a sa d v a n t a g e so fs i m p l ec i r c u i t 。l o wr i p p l eq u o t i e n t , h i g h e f f i c i e n c ya n ds m a l lv o l u m e s oi ti sf i tf o rp o w e rm e w rc a l i b r a t i n gs y s t e ma n di t 啪 b ew i d e l yu s e di n 也ef i e l do f p r e c i s em e a s u r e m e n t k e yw o r d s ：s w i t c h - l i n e a r i t y , p o w e rc o n v e r s i o n ，p r e c i s ec u r r e n ts o u r c e ， h y s t e r e s i sc o n t r o l ， 声明 本学位论文是我在导师的指导下取得的研究成果，尽我所知，在本 学位论文中，除了加以标注和致谢的部分外，不包含其他人已经发表或 公布过的研究成果，也不包含我为获得任何教育机构的学位或学历而使 用过的材料。与我一同工作的同事对本学位论文做出的贡献均已在论文 中作了明确的说明。 研究生签名：年月 日 学位论文使用授权声明 南京理工大学有权保存本学位论文的电子和纸质文档，可以借阅或 上网公布本学位论文的全部或部分内容，可以向有关部门或机构送交并 授权其保存、借阅或上网公布本学位论文的全部或部分内容。对于保密 论文，按保密的有关规定和程序处理。 研究生签名：年月日 硕士学位论文开关线性复合精密电流源的研制 1 绪论 1 , 1 课题的背景 随着电子技术的高速发展，电子系统的应用领域越来越广泛，电子设备的种 类也越来越多。电子设备的小型化和低成本化使电源向轻、薄、小和高效率方向 发展“”。电子电源是对公用电网或某种电能进行变换和控制，并向各种用电负 载提供优质电能的供电设备，它可分为线性电源和开关电源两种。线性电源的优 点是电路简单、输出纹波小，精度商，不产生辐射干扰，缺点是体积较大、效率 较低、输入电压范围较窄。但随着半导体器件的飞速发展，电子设备日趋小型化， 更突出了线性电源的缺点。 而开关电源小巧，效率高、输入电压范围很宽，但是开关电源的输出纹波大， 且易产生电磁干扰。随着电力电子技术和电子开关器件的发展，自2 0 世纪9 0 年代 中期以来，开关器件的高度集成化和电磁干扰滤波技术的应用，使新型开关电源 对电网和外界的干扰得到改善，功率变换效率提高，输出功率提高到中功率，稳 压水平达到精密级，因而被广泛应用于家用电器、计算机、电信、仪器仪表、工 业控制等领域。“” 随着电力事业的发展，用电单位越来越多，对电能表进行准确的校验是保证 电力安全、电能计量准确的必要手段“1 。在仪表校准中，希望交流电压源或电流 源的精度与分辨率足够高，因为这是仪表能否校准好的关键所在。电子式三相精 密功率源能输出高精度、高稳定度及幅值、相位、频率精密可调的三相电压、电 流，在工频仪器仪表校验中得到了广泛应用”。由于线性功率放大器具有设计简 单、波形失真度小等优点，目前在精密功率源中一般都用它进行功率放大。但线 性功率放大器的效率很低，特别是工频电工式仪表多为感性负载，此时线性功率 放大器发热更为严重，因而在精密测量领域中的应用受到制约。精密开关电源能 省去工频变压器，效率高，虽然纹波系数较大，但把它作为集成恒流源的前级， 复合成精密恒流源，可将二者的优势互补，使其稳定性等技术指标大大提高。 1 2 复合功率变换技术的发展 功率变换技术的发展是围绕如何较好的解决效率与优波的矛盾。从旋转式到 静功率( 3 2 频相控至高频开关) 式的发展就可以很明显的看出来了。旋转式的波 形最好，效率却很低，工频相控变流装置虽然在上个世纪7 0 年代成为功率变换器 硕士学位论文开关线性复合精密电流源的研制 的主要形式，却是以牺牲波形为代价才能提高效率的m 。p 删功率变换技术的运 用虽然一定程度上改良了波形，基本上保持了较高的效率，但大多数器件工作在 非线性工作区( 即饱和区和截止区) ，对于器件的控制较为复杂，而且高频化带 来的噪声污染( 含音频以上成分) ，有害于生命过程和周围仪器设备的正常运行， 也危及用电器的绝缘寿命，严重污染了电力系统。 在一些高性能场合中，为了得到较好的静动态指标不得不沿用低效笨重的线 性功率放大技术。事实上线性功率放大器除了效率低、体积大以外，它的性能指 标是开关变换器所无法达到的。究其低效的根本原因在于线性功率放大器件的供 电电源采用了直流供电电源，从而使线性功率放大管的功耗很大，即使工作在b 类放大状态，其理论效率值也小于7 8 5 ，那么实际使用中会更低。1 9 8 5 年的一 篇有关“高效音频功率放大”的国际文献嘲启发了国内一些学者向功率逆交领域 移植思路的动机。就是以线性功率放大器为基础，将其供电电源由直流供电改为 与期望输出波形同步、同形状、同频、同相的纹波电压来供电，使降在线性放大 管上的管压降始终接近功率器件的i i 缸界饱和电压，从而使损耗降到与现有纯开关 功率变换器中开关管的损耗同一量级。有关参考文献上有粗略的效率估算，2 2 0 v 级交流纹波供电的线性功率放大器的效率约为9 6 左右。“。这样看来，效率、 优波、负载鲁棒性，以及对负载的尖刺危害等问题将会得到统筹解决或改善了 那么接下来的问题就成为如何才能得到与输出波形同步、同形、同频、同相 的纹波供电电压波形，而且要始终跟踪其幅频变化，才能使线性功率管始终工作 在临界饱和的线性区。通过研究，发现只要对前级的开关电源和后级的线性放大 单元采用同一个参考信号就可以解决这个问题了。就是说在控割一个开关放大滤 波电源产生纹波供电电压的同时，将该信号放大到末级的前置电压放大单元所需 的幅值就可以了。由于开关电源作为线性功率放大器的供电电源，又采用同一个 参考信号来控制开关电源和线性功率放大器，所以把这两者结合而成的功率变换 器定义为开关线性复合式功率变换器”3 。这个复合而成的功率变换器。具有取自 线性放大单元的优良性能的本质，又有开关滤波单元的包络跟踪供电使其高效的 保证依靠，而且不管开关单元是定频的还是变频的，也不管开关频率在音频以上 还是以下，都可以有效地避免了噪声的污染。其曾用名为比较跟踪放大式功率变 换器( c t a ) 。 1 3 复合功率变换技术的研究现状 1 3 1 线性开关复合技术的基本原理 线性开关复合技术( s w i t c h l i n e a r i t yh y b r i d ，s l h ) ，它的电路原理就是对 2 硕士学位论文开关线性复合精密电流潭的研制 消耗的比较跟踪放大。线性开关复合技术主要的特点是将电力电子纯开关功率变 换电路与线性功率放大电路有机的结合起来，即把常规的p 删电压型变频器作为b 类功率放大器的供电电源，由于射极跟随器的负反馈形成的系统具有强有力的抗 干扰特点，使得系统具有较高的效率和较强的鲁棒性，从而构成的新型功率变换 器获得互补综合优化性能，如传动系统的低频转矩脉动小、负载抗干扰性能优越 等特点。 该技术的本质在于，开关滤波电路只作为复合线性电路的特殊供电电源，那 么整体系统可以看成是一个比例放大器，从而获得极快的动态响应和比较准确地 跟踪效果；而同时又因为具有压控射极输出特性的线性单元的高阻输入、低阻输 出的特性，近似于功率级的缓冲器，阻隔了输入输出信号之间的相互干扰，很好 的保证了系统的正常工作，实现了t h d 指标和效率指标的兼顾。 线性开关复合技术，结合了电力电子器件实现的非线性电源与线性功率放大 电路的优点，既克, h l i - j 非线性电源谐波含量商、线性功率放大电路交越失真、运 行极限效率不高等不利因数，又使得这种新型功率变换得到了认可，符合了目前 大家追求的高保真、绿色、环保电源变换的要求“。 图1 1 $ l h 原理图 s l h 的结构图如图1 1 所示，由图可以看出，开关线性复合器由参考信号、前 置功放、前置放大、开关电源( p w m + l c ) 、线性功率放大等组成。产生标准正弦 信号作为参考信号，是同时控制开关变换单元和线性功率放大单元，系统输出理 想波形的参考；将参考信号前置放大的目的是驱动线性功率放大装置中的功率开 关器件的工作；开关电源( p 删+ l c ) 的作用就是为线性功率放大装置中的功率开 关器件提供脉动正弦供电电源，前置功率放大是对参考信号进行功率放大，使之 能够驱动开关电源中的功率开关器件工作。 硕士学位论文 开关线性复合精密电流源的研期 1 3 2 线性开关复合技术的基本拓扑 实现图l l 的思路有两种基本拓扑，即并联式开关线性复合变换( p s l h ) 和串 联式开关线性复合变换( s s l h ) “。 p s l h 变换实现方式如图1 2 所示，图中，双b u c k 电路构成p 喇+ l c 开关滤波单 元，对传统b 类线性放大电路实现纹波供电。与标准的正弦波相比，纹波通常为 几伏。显然，几伏纹波电压降落在构成射( 源) 极输出器的对管t ，、t ：上，对管 t - 、t z 工作在临界饱和偏线性状态，呈现开关通态饱和、压降小和线性失真小、 输出阻抗低的特性。由于纹波电源、线性功率单元和负载是并联的关系，所以将 此类s l h 称为p s l h 。 驱动单元l 一比较器卜- h 比例取样嚣l l d 1j c 宁 i t ，p l i 襞要害冕j： u l - t 2 l | 、 o z2 c j =一 负 驱动单元l 一一比较器卜- 一一比例取样嚣 s j 1 2 图1 2 陌l h 原理图 在图1 2 的拓扑中。由于b 类线性放大器的供电电源不是传统的正、负直流电 压，而是在输出正弦电压上叠加类似于管饱和压降的峰一峰纹波电压，因此b 类功 放的管压降始终接近饱和压降，效率在3 8 0 2 2 0 v 市电系统中可上升至9 8 9 9 。 开关s - 控制乙类功放电路的正向电源偏置，开关s ：控制乙类功放电路的负向电源 偏置。电解电容c 一与电感l 、电解电容c ：与电感l ：分别组成l c 滤波器，对开关电源 的输出进行滤波，同时电解电容c - 、c ：串连，引出中心点。比较器对来自参考信 号u 。r 及比例采样器的信号进行比较，输出比较信号送入驱动单元，同时参考信 号u 。直接进入线性放大单元，驱动对管t 、t ：。 p s l h 拓扑在实现过程中形成的对射( 源) 极输出结构需要选择异沟道对管， 且t - 、t z 承受断态高电压，这对器件要求相对比较高一些，因此采用s l h 的另一种 拓扑实现低阻输出效果，如图1 3 所示。 4 硕l 学位论文开关线性复合精密电流源的研制 图1 3s s i h 原理 图1 3 中，由于二极管的箝位作用，同沟道对管t 。、t ：不论断态还是通态均只 承受低电压，可用低压功率管实现。由于纹波电源电路、t 、t 。和负载是串联的， 所以将该拓扑命名为s s l h 变换。这种串联结构即使t 、t 。管损坏，也不会影响前 级开关电路的正常运行，相对具有更高的可靠性。但是这种电路结构在控制单元 与主电路的参考点设置上有一定难度，在电磁兼容性和抗干扰性上也不如并联结 构的s l h 。 从以上的分析可以看出，这两种s l h 的输出电压波形都与参考信号v 件f 、前置 放大单元输出大电压信号、供电纹波电压同步，复合变换器的功率管损耗使变换 器的效率略有降低，但由于负载供电波形正弦度高，负载效率不会因为谐波的损 耗而降低，使得输出波形具有较好的t h d 。 增加了线性功率放大器这一级，就可以利用线性功率放大器低阻输出特性增 强抗负载扰动鲁棒性，以及多类负载的适应性。高效线性单元在复合变换器电路 中起功率级缓冲电路作用，使系统不因负载参数与性质的变化而受太大的影响。 而目前p w m 系统即使采用了优秀的控制方式和复杂的闭环手段也很难对此进行综 合处理m 1 。 1 3 3 线性开关复合功率变换技术的应用与发展 复合功率变换技术研究方向主要是电网治理、强鲁棒交直流电源和电力传动 三个方向。具体来讲，八九十年代以研究变开关频率的异步电动机和永磁同步电 机为主，近几年转向研究动态谐波补偿和连续无功补偿为主“”。 ( 1 ) 电源应用领域 线性开关复合功率变换技术在电源领域中的研究方向是用于电与非电领域 的柔性波形( 或任意波形) 的功率变换器。这种任意波形功率变换器将比纯开关 型的同类产品具有更宽广的频段，并且希望在不要求开关频率过高的前提下，能 硕 擘位论文 开关线性复合精密电流源的研制 够高效地获取高保真度的柔性波形组合，从而适应多类负载。 ( 2 ) 异步电机v w f 控制超低频系统 电机负载由空载到满载，要经历等效为纯感负载、阻感负载到纯阻负载的变 性过程。已有的研究表明，s l h 在开环条件下有良好的低频转矩脉动抑制能力， 具备发展为高性能s l h 调速系统的基础。那么不仅高性能的w v f 调速系统有可能 自成一族，矢量控制的v c - s l h 、直接转矩控制的d t e s l h 也有可能产生。由于s l h 中的线性功率放大单元是高阻输入低阻输出的电压跟随器，在无电流环的前提下 s l h 在超低频实验中表现出明显的负载鲁棒性。分析原因，其实s l h 本身就是电压 深度负反馈单元，如同一个功率级的缓冲器，阻隔了双向不利参数变化的影响。 s l h 中的控制单元是将参考信号放大后得到的，而不是直接采用小信号直接 控制栅射( 源) 级，s l h 多种拓扑的演变都遵循了这一构成原则，就具有优秀的 负载鲁棒性。v c p w m 系统是靠增加算法复杂度，参数辨识的快速性、实时性和d s p 处理功能的增强来匹配解决电机参数变化对系统稳定性的影响，是以增加系统死 循环阶数和软件难度为代价的，在超低频段两者很难兼顾。而s l h 功率变换器的 硬件本身可以抵御大多数参数变化的负作用，从而使闭环控制调节压力得到缓 解。 ( 3 ) 电网治理领域 电网的谐波治理在当前的电力系统中极待解决的重要课题，客户端的电压波 形通过谐波补偿来保持它的高正弦度，从而保障了接在同一电网上其他用电器的 供电质量。用分离电压谐渡与基波的方式进行补偿是最直接的办法。但由于客户 端电网电压的谐波成分与基波相比所占的比例过小，检测结果和参考信号的差值 分辨率太低，控制补偿过程的准确性不好掌握，近年来以实时检测电流为主的各 种谐波补偿方式发展比较迅速。 运用s l h n 成的连续无功补偿装置在电网治理领域中有一定的应用。我国采 用自耦变压器的经济型连续无功补偿装置已获得成功。装置的原理是在投切式有 级补偿装置的补偿电容支路中串接与电网同频、同相的可调电压源，满足连续补 偿动态性能要求不高的场合，解决传统的投切补偿器在白天和夜晚的欠补和过补 连续自动调整问题。由于s l h 的鲁棒性强于p w m 滤波电源，在大范围的占空比变化 和负载的变化时输出波形不畸变，保证向电网补充无功电流时不附加谐波成份， 这比某些有谐波污染的s c r 无功补偿器的效果好o “1 。 1 4 论文的工作 且前，精密电源主要以线性电源为主，利用复合功率变换技术制作成复合精 密电流源也只有初步的研究。本文将对开关线性复合功率变换技术做进一步的研 6 硕士学位论文 开关线性复合精密电流源的研制 究，将开关电源和线性电源的优势互补，设计一种高精密的电源，并将此高精度 的电流源首次应用到校表台上。这就要求该复合型电流源有较高要求的波形输出 失真度，较小的纹波系数以及良好的稳定性。 论文的内容主要分为以下五章： 第一章绪论介绍了课题的研究背景，复合功率变换技术的原理、研究现状、 发展和应用。 第二章对论文的总体方案进行了分析和设计。 第三章对前级开关电源的d c d c 变换电路的主要参数进行了设计，并运用 仿真软件对所设计的电路进行了仿真。 第四章对前级开关电源的d c a c 逆变电路及其控制电路的主要参数进行了 设计，并运用仿真软件对所设计的电路进行了仿真。 第五章对后级线性电源进行了设计，具体分成输入级、放大级和输出级三 个部分来进行电路的设计。 第六章是系统的样机实验，给出了样机实验的数据，并对实验的结果进行 分析。 7 硕士学位论文 开关线性复合精密电流潭的研镧 2 总体方案设计 2 1 设计指标及要求 电力校表台用高精度电流源设计指标： 输入电压：2 2 0 喇c 2 0 ，5 0 - z 1 - z 输出电流：0 1 5 a 输出电压：3 0 v 负载特性：阻性 电流t h d 0 5 效率8 0 2 2 系统总体设计方案 传统的电力校表电源输入5 0 h z 、2 2 0 v 交流电压经工频变压器降压、整流滤 波成直流电压，供给线性功率放大器，得到稳定的交流电流源。但是传统的校表 电源由于使用了工频变压器，体积较大，不方便携带，而线性功率放大器的使用 使整个电源效率较低。 针对以上情况，本文设计一种开关电源和线性功率放大器复合的电流源，将 开关电源作为复合电源的前级，开关电源的输出整流滤波成馒头波后为线性功率 放大器的功率放大管供电，且馒头波与系统输出电压接近线性放大器功率管的管 压降，这样就大大提高了电源的整体效率。这种复合电源克服了非线性电源谐波 含量高、线性功率放大电路交越失真、运行极限效率不高等不利因数，不需要加 工频变压器减小了体积，改善功率开关管的动态特性，总体上既保留了传统电源 的优点，又根据实际需要对现有传统电源的不足作了改善。 复合电源总体设计方案如图2 2 所示，输入为5 0 - z 、2 2 0 v 交流电压，经整 流滤波后得到3 1 1 矿直流电压，采用d c d c 变换器将直流电压变换成1 0 0 h _ z 、最 大值为8 0 v 的馒头波。1 0 0 h z 、最大值为8 0 v 的馒头波经滤波后作为d c a c 逆变 器的输入，d c a c 逆变器采用了三态滞环和自适应滞环相结合的电流控制方式。 使输出的电压波形具有较高要求的波形失真度。d c a c 逆变电路输出电压经整流 滤波，输出电压波形与线性功率放大器的输出波形的电压差近似为功率放大管的 饱和管压降，作为线性功率放大器中功率放大管的供电电源。线性功率放大器的 输出电压跟随负载的变化而变化，d c a c 逆变电路的输出电压根据功率放大管的 8 硕士学位论文开关线性复合精密电流湃的研制 管压降实时调整，保证电压差始终接近功率放大管的饱和管压降值。 2 3d c ，d c 电路设计方案 图2 2 总体设计方案 d c d c 电路可分成p w m 式、谐振式和它们的结合式。目前应用较广的是 调宽式( p w m ) ，它包括正激式、反激式、半桥式和全桥式【嘲。经过对各种电路 的比较，本文选择交错型双晶体管正激变换电路作为复合电源中的d c d c 变换 电路。 与反激变换器相比，正激变换器的输出功率不受变压器储能的限制，输出功 率比反激变换器大。但是正激变换器的开关管电压应力一般是输入电压的两倍， 有时甚至更高，已经成为限制正激变换器应用范围的主要关键因素之一汹1 。为了 降低开关管的电压应力，提出了双管正激变换器。与单正激变换器相比，双管正 激变换器在变压器的原边去掉了磁复位绕组，增加了一个开关管、两个二极管， 一方面起着箝位的作用，将开关管电压箝位在输入电压，另一方面为变压器的去 磁电流提供通路。 但是双管正激变换器为了保证变换器磁复位可靠，工作占空比最大不能超过 0 5 ，那么输出电压和电流脉动较大，还需要增大输出滤波器体积。如果要获得 更高的输出电压，必须靠提高变压器的变比，那么变压器副边二极管电压应力又 增大了。为了提高双管正激变换器等效占空比，减小副边二极管电压应力和滤波 器的体积，提出了两组双管正激变换器交错并联的电路，这两组双管正激变换器 的输出共用一个续流二极管和一套l c 滤波器。 如图2 3 所示，交错型双晶体管正激变换器在保留双管正激变换器功率开关 管电压应力低和可靠性高的优点同时，克服了等效占空比小、副边二极管电压应 力高、输出电流脉动大等缺点。与全桥变换器或半桥变换器比较，它的每一个桥 臂都是由一个二极管和一个开关管串联组成，从结构上消除了桥臂直通现象，可 靠性高，特别适合输出中等功率、输入电压较高的应用场合。 9 颂士学位论文开关线性复合精密屯流源的研制 图2 。3 交错并联双晶体管正激变换电路 2 4i ) c a c 电路设计方案 单相逆变器的主电路拓扑形式一般来说主要包括两种：半桥逆变电路和全桥 逆变电路。全桥逆变电路可以认为是由两个半桥逆变电路组成的，在单相电压源 逆变器电路中是应用最多的电路”“所以在本文的设计中，将全桥逆变电路作为 复合电源的d c a c 电路。 目前逆变器的控制方式主要有p w m 控制和d p m 控制。p w m 控制方式主 要包括：空问矢量控制、滞环控制和s p 删控制等。d p m 控制方式主要包括：电 流调节型d e l t a 调制、优化离散脉冲调制、滞环控制脉冲调制和空间矢量d e l t a 调制等。 在众多的控制方式中，滞环电流控制( h y s t e r e s i sc u r r e n tc o n t r 0 1 ) 是最 简单用途最广泛的一种方法。它主要利用滞环比较器形成一个以给定电流为中心 的死区或滞环，将反馈电流的变化控制在这个滞环之内。因此，电流滞环控制电 路具有自然限制峰值电流、响应速度快、高稳定性等优点。 滞环控制型逆变器按滞环宽度可分为固定环宽和变环宽方式。目前，变环宽 方式主要有j 下弦变化的环宽、固定和正弦结合的混合型环宽。固定环宽方式的滞 环控制逆交器的调制频率较低，电流脉动较大。而正弦性环宽的滞环控制逆变器 的调制频率较高，电流脉动小，电流的谐波含量较低。混合型滞环控制逆变器综 合了以上两者的优点，开关频率不会太高，电流脉动量就比较较小了。 滞环控制型逆变器按调制方式可分为两态调节和三态调节。三态调节与两 态调节相比，电流脉动较小，脉冲调制波是单极性调制，对直流母线的影响较小。 l o 硕士学位论文开关线性复合精密电流潭的研制 综合考虑以上的各种方法，在本文的设计中采用了三态滞环控制和自适应滞环控 制方式作为逆变器的控制方式。 全桥逆变电路及其控制电路如图2 4 所示。 图2 4 全桥逆变电路及其控制电路图 2 5 线性电源电路设计方案 线性电源的输入级采用差分对管输入，经中间放大电路放大，输出采用乙类 互补推挽功放电路。 由于差分对管固定电流不必通过反馈网络，且它的线性远比单管输入级要 好，使得直流失调量很小，而电压吃相互抵消使失调量在本质上也很小，所以 总体上来说，差分对管的直流失调量较小。1 。对于良好平衡的差分对，输入级中 的非线性失真都集中在高频域，其下降斜率为1 8 d b 倍频程，而且几乎都是三次 谐波。可以有效抑制二次谐波。 电压放大级是功率放大器中最关键的部分，不仅要提供全部的电压增益，而 且要给出整个输出的电压摆幅。而放大级设计中，具有较高的局部开环增益在实 际中比较重要。较高的局部开环增益能对电压放大级加以线性化如果同时采用 采用有源负载来提高放大管集电极的有效阻抗，可以提高电压增益。 当输出级阻抗呈现非线性时会导致放大级负载失真，要解决放大级负载失 真，可以通过在放大级本级反馈回路中增加一个射极跟随器。这样可以提高有效 硕士学位论文开关线性复合精密电流源的研制 的夕值，增加本级的反馈系数，而不是去增加集电极阻抗。这种方法不仅可得到 好的放大级线性度，而且在整个频带范围内可得到低得多的集电极阻抗。 甲类功率放大器在没有输入信号时，直流电源仍然消耗能量，所以甲类功率 放大器的效率比较低。乙类功率放大电路的最高效率可达7 8 5 。乙类互补推挽 功放电路的两个管子在两个半周期中，分别输出两个极性不同的半波信号，在负 载上合成完整的全波信号。乙类互补推挽功放电路的两个管子要准备地偏置于临 界截止状态，并且两管的增益相同，才能合成非线性畸变很小的全波信号哪! 实 际的晶体管或场效应管都不是理想的器件，在截止状态附近有非线性的失真，即 交越失真。而且两个管子的参数不可能完全一样，也会有相应的非线性失真的 为了避免这种情况必须要采取相应的措施。因此要在电路中加入抑制交越失真 的电路。 整体的线性电源设计图如图2 5 所示。 匪磊f 菇亘日 2 6 本章小结 图2 5 线性电源电路图 本章主要针对设计指标和设计要求，对系统的总体方案进行了设计。主要包 括：d c d c 变换电路、d c a c 变换电路和线性电源电路的方案设计。 1 2 硕士学位论空开关线性复台精密电流源的研制 3 前级开关电源d c d c 变换电路设计 3 1 设计指标及要求 输入电压：2 2 0 v a c 2 0 ，5 0 - a + i - z 输出电压：1 0 0 - z 、最大值$ 0 v 的馒头波， 效率8 5 3 2 设计方案 图3 2d c d c 电路设计方案 开关电源的总体设计方案如图2 2 1 所示。 开关电源电路的输入为5 0 - z 、2 2 0 v 交流电压，整流滤波成3 l l 矿直流电压， 通过d c d c 变换电路，将输入的直流电压变换成1 0 0 h a 、最大值为8 0 1 ：的馒头波， 作为d c a c 逆变桥的输入。d c d c 变换电路采用交错并联的双晶体管正激变换电 路。 3 3 交错并联双晶体管正激变换器主要参数设计 正激变换器的开关管电压应力高，是输入电压的两倍，有时甚至更高，已经 成为限制正激变换器应用范围的主要关键因素之一。双管正激变换器在变压器的 原边的一个开关管和两个二极管，一方面起着箝位的作用，将开关管电压箝位在 输入电压，另一方面为变压器的去磁电流提供通路。可以克服正激变换器中开关 硕士学位论文开关线性复合精密电流源的研制 管电压应力高的缺点，不需要采用特殊的复位电路就可以保证变压器的可靠磁复 位。交错型双晶体管正激变换器在保留双管正激变换器功率开关管电压应力低和 可靠性高的优点同时，克服了等效占空比小、副边二极管电压应力高、输出电流 脉动大等缺点。因此在本文的设计中采用了交错型双管正激变换器。 ( 1 ) 选取磁芯材料 输出功率p d = i o z o = 5 x 3 0 = 1 5 0 w 。 选r 2 k b d 铁氧体磁芯材料，型号为e e 3 5 b ，其截面积及窗口面积为： 4 = 0 8 9 5 c m 2 ，q = 0 7 7 8 硎2 。 ( 2 ) 计算占空比 在本课题中，最大导通占空比为d = 0 4 。由于高频脉冲的频率为1 0 0 k h z ， o ( 嘣l = z d 0 ( 眦) = 1 0 x 1 0 1 o 4 s = 4 声 ( 3 ) 选定磁感应增量值 在正激变换器中，由于交压器传递的是单向脉冲，所以a b = 一耳，由于耳 较小，所以衄可近似为巩。这里取凹= 1 6 0 0 g s 。 ( 4 ) 变压器变比的设计【2 5 】 变压器的变比应该满足输入在最低电压时，前级输出高频脉冲基波分量的幅 值能够满足逆变器输出电压的要求，即： 堡! 竺! 垒：矿 x “一 ( 3 1 ) 式中岫) 为输入电压的最小值，占i o 为占空比的最大值，k 为变压器的变 比，圪。，为输出电压的最大值。 在本课题中，= 2 2 0 0 = 1 7 6 v ，d 一= 0 4 ，= i i o v ， 圪( 。) = 1 4 f 岫) = 1 , 4 1 7 6 = 2 4 6 4 v 。 所以，由式( 3 j ) 可得，k = 2 4 6 1 4 了x 广0 4 x 2 = 1 7 9 2 ( 5 ) 计算原边绕组的匝数 原边绕组加的电压波为直流电压，根据法拉第定律，原边圈数。为： ，= 等等 ( 3 2 ) 式中，a e 为铁心有效面积( r a m 2 ) ，据资料知为e e 3 5 b 的4 = o 8 9 5 c m 2 ，a b 为磁感应增量值( r ) 。 由于，圪f _ i i l l ) = 2 4 6 4 v ，o ( 毗) = 4 m s ，衄= 1 6 0 0 g s = o 1 6 w b ，4 = 0 8 9 5 c m 2 ， 硕上学位论文开关线性复合精密电流源的研制 由式( 3 2 ) 得 卟意器硼s ( 6 ) 计算副边绕组的匝数 输出电压v o 与变压器副边电压屹的关系式为 矿7 ：! 堡坚丛生尘!( 3 3 ) 式中，为整流二极管压降( 矿) ，0 为原边开关导通时间( 芦) ，0 为原边 开关关断时间沁) 。 考虑二极管压降为1 5 y ，代入式( 3 3 ) ，得圪= 堕半= 1 3 9 3 7 5 矿。 ， 以与圯关系是原副边匝比关系， 即：苦。丝n p = x 故副边绕组的匝数 m = 芒以，考虑到两个f e t 管的压降，则： m 2 瓦：专i 。坼 ” 式中， ；。为f e t 管导通压降，取1 v ，圪岫) 为输入最低直流电压( y ) ，k 为所需副边绕组输出电压( 矿) 。 代入式( 3 4 ) 数据，可得m = 面1 石3 9 扛3 j 7 5 西。6 8 8 = 3 9 2 取整数：3 9 1 1 i ，这时原边绕组要按比例增加，笃：了n p 。取整后的原边 h l ”， 绕组匝数，坼= 等m = 爰x 3 9 - 6 8 4 ( 3 5 ) 取m = 6 8 ( 7 ) 原副边电流有效值的确定 滤波电容电流有效值为： j 一= 吗= 2 石x 5 0 x 5 0 x 1 0 巧x 5 6 5 7 7 = 0 8 8 8 a 滤波电感电流的有效值为： i i 。= 硕士学位论文开关线性复合精密电流源的研镧 式中口为功率因数角。 在本课题中c o s o = 1 ，则： l l r 。=f i 西2 ( 3 6 ) = x i 0 8 8 8 z 1 5 0 2 = 2 7 9 爿( 3 7 ) 流过变压器副边的电流有效值近似为： ls 兰l l m：2 7 9 砭：1 2 5 a ( 3 8 流过变压器原边的电流有效值为： ip = 1 i 州u 2 童+ 1 。 魄蚧 l 为原边激磁电流，一般取s ，。这样可得 歹。：! ：堕兰生：塑垒! ：垄：0 7 3 2 a，= o = = 7 k1 7 9 2 取电流密度为3 a m m 2 ，则原边绕组的导电面积为： s p ：0 7 - 3 2 ：0 2 4 4 掰晰2 ( 3 1 0 ) 副边绕组的导电面积为： 只：半：o 4 2 掰珑：( 3 1 1 ) j ( 8 ) 确定原副边线径 考虑集肤效应，当前级工作在1 0 0 k h z 时，线径不能够大于o 1 4 8 r a m 2 。这样 副边选标称直径为0 2 5 r a m 漆包线，其有效截面积s 为0 0 4 9 m m 2 ，9 股并绕。 原边9 股并绕。 ( 9 ) 功率管的选取 m o s f e t 承受的电压应力为输入电压，因此k 1 0 s f e t 承受的最大电压为 圪。= 3 6 9 6 v ，m o s f e t 承受的电流应力为变压器原边的电流i ，= o 7 3 2 a ，因此 碗士学位论文开关线性复合精密电流源的研制 可选用i r f p 4 6 0 ，其参数为：= 5 0 0 v ，( 田) = o 2 7 f l ，l o = 2 0 a 磁复位二极管应选用超快恢复二极管，承受的最大电压为圪一= 3 6 9 6 v ， 承受的电流应力仅为激磁电流，一般激磁电流取5 1 。= o 3 6 6 a ，因此可选用 8 y v 2 6 c t 其参数为：如r = 1 a ，= 6 0 0 v ，0 = 3 0 n s 输出整流二极管应该采用超快恢复二极管，由交错并联的正激变换器的工作 原理可知，输出整流二极管承受的最大电压应力为； 圪型盘：2 x 3 6 9 6 ：4 1 2 5 矿” k1 7 9 2 承受的最大电流应力为i = ，。= 1 2 5 a ，因此可采用m u r 3 0 6 0 ，其参数为： 乇r = 3 0 a ，= 6 0 0 v ，0 = 3 5 n s a 3 4 交错并联双晶体管正激变换器设计电路仿真 开关电源电路中输入为5 0 h z ，2 2 0 v 交流电压，经整流滤波成3 1 l 矿直流电 压，仿真时，直接将直流电压作为交错并联双晶体管正激变换电路的输入。忽略 滤波电感和滤波电容中的电阻。仿真电路如图3 4 。1 所示。 电路主要的仿真参数为： 输入直流电压的幅值u = 3 1 1 v 电感l ，= 1 0 ，打 电容c ，= 5 0 ，扩 电阻尼= 5 1 2 图3 4 1 交错并联双管正激变换器电路 1 7 硕士学位论文 开关线性复合精密电流谭的研制 m o s i 、m o s 2 的驱动信号是由锯齿波和正弦波交结形成的s p w m 波提供 的波形如图3 4 2 所示。 图3 4 2m o s ! 、m o s 2 驱动信号波形 m o s 3 、m o s 4 的驱动信号也是由锯齿波和正弦波交结形成的s p w m 波提供 的，波形如图3 4 3 所示。 图3 4 3m o s 3 、m 0 8 4 驱动信号波形 d 。两端的电压波形如图3 4 4 所示。 图3 4 4 正弦波波形 输出端冠两端的电压波形如图3 4 5 所示。 图3 4 5 输出端电压波形 硕士学位论文 开关线性复合精密龟流源的研制 3 5 本章小结 本章主要介绍了前级开关电源d c d c 变换电路的参数设计，主要包括了磁苍 材料的选取、占空比的计算、变压器变比的计算、原副边绕组的匝数和功率管的 选取等。并用仿真软件搭建了模型电路，实验结果较好，为样机的实现奠定了基 础。 1 9 硕士擘位论文开关线性复合精密电流源的研制 4 前级开关电源d c a c 逆变电路设计 4 1 设计指标及要求 输出电流5 at h d 0 5 输出电压土5 0 v 效率8 5 过压欠压保护 4 2 设计方案 田4 2 1o o a c 电路设计方案 开关电源的总体设计方案如图4 2 1 所示。 开关电源d c a c 电路的输入为变换成1 0 0 h z 、最大值为8 0 v 的馒头波。再经 全桥逆变为正弦交流电压，并经l c 滤波网络滤去高次谐波，最后得到所需的正 弦波作为输出。 d c c 逆变电路采用全桥式逆变电路。吸收电容用于吸收负载以及滤波电容 硕t 学位论文开关线性复合精密电流源的研制 的回馈能量，防止直流母线电压上冲。该逆变器控制电路采用输出电流外环加电 感电流内环的双环控制方案，采用三态滞环控制进一步减小输出电流的t h d ，采 用自适应滞环控制解决了输出小电流、低电压情况下输出电流的t h d 超标问题。 4 3 逆变器主要参数设计 4 3 1 功率管的选取 功翠管承受的最大电压应力为： k 嘲譬嘲警划2 逆变桥功率管承受的最大电压应力为4 1 2 5 v ，承受的最大电流应力为 h 。= 8 爿，因此可采用i r f p 4 6 0 ，其参数为：p 淼= 5 0 0 v ，如s ( 。) = 0 2 7 1 1 ， l d = 2 0 a 4 3 2 滤波电感的设计 滤波电感在电路中除了与滤波电容组成低通滤波电路滤除逆变器输出的脉 冲调制波中的高次谐波外，还作为积分环节实现三态电流滞环控制。 因此，反馈的电感电流的变化率在任何情况下不能低于给定信号的变化率， 即l 巧剖 鲁：滤波电感的取值要使电感电流在一个采样周期内的脉动量不超 过限定值。 设电流给定为i g = l g 。s i n m t ，由于电流环采用比例调节器，因此可以认为 给定电t 流与电感电流同相位，则电感电流为移= 矗s i n 耐，。= 巧矗一。其 中，髟是电感电流的反馈系数。 设电感电流与输出电压之间的相位差为口，则输出电压为 = u 。s i n ( c o t 一目) ( 4 1 ) 电感电流的变化率为：! 彗= _ v , - u o ( 4 2 ) 讲 l ， 其中儿是两桥臂中点的调制电压。 给定电流的变化率为：鲁= 一口c o s 吐l | r = 0 。m c o s 肛 硕士学位论文开关线性复合精密电流源的研制 空载时电感电流超前于输出电压9 0 ，忽略电感电流的脉动，则在输出电压 阴半周期内，调制坡基本上是卑做住调制，电悬电流是旱调变化阴。 显然空载时，电感电流减小，电感电流f ，的下降率为： 堕：丛一- u o s i n ( c o t 7 0 ) ：u o m c o s o g ( 4 _ 3 ) d t l|lfl f 给定电流的下降率为鲁= 。国c o s 科= 畅矗一m c o s 甜，由 卜刽 鲁坷得。 謦湎空载时滤波电感的电流等于滤波电容的电流， 则矗。= 玑一吗 则空载时滤波电感的选取范围为：o 鲁，可得。 酱。 因此，阻性负载时满足电感电流跟踪特性的滤波电感的取值范围为： 上r m i n ( 坠掣，r u o m s i n o j ( 4 5 ) 。l*mhj 口m 阻性负载时电感电流的峰值为： o