（电机与电器专业论文）开关功放电源的研究.pdf

西南交通大学硕士研究生学位论文第1 i 页 a b s t r a c t w i t ht h ep r o g r e s so fa c o u s t i c st e c h n o l o g yn o w , t h e r ei sag r e a td e v e l o p m e n t i na u d i op o w e ra m p l i f i e r a n de v e r ya u d i op o w e ra m p l i f i e rn e e d san i c ea u d i o p o w e ra m p l i f i e rs u p p l y ha g e n e r a lw a y , t h ec o s to ft h ea u d i op o w e ra m p l i f i e r s u p p l yi sa l m o s th a l fo ft h ea u d i o p o w e ra m p l i f i e r i ti so b v i o u st h a tt h ea u d i o p o w e ra m p l i f i e rs u p p l yi sv e r yi m p o r t a n tt ot h ea u d i o p o w e ra m p l i f i e r a d e s i g np r o p o s a la b o u ta u d i o p o w e ra m p l i f i e rs u p p l yi sp u tf o r w a r di nt h i s t h e s i s s o m et h e o r e t i c a la n a l y s i s ，s i m u l a t i o ns t u d ya n de x p e r i m e n ta r em a d e s p e c i f i c l yi n c l u d e ： an e wo n e c y c l e - - c o n t r o l ( o c c ) t e c h n o l o g yi si n t r o d u c e dt of r o n ta c t i v e p o w e rf a c t o rc i r c u i t ( a p f c ) d e t a i l e da n a l y s i so ft h i sc i r c u i ti sm a d e a n d s i m u l a t i o ne x p e r i m e n ti sf i n i s h e d a tl a s td e s i g na n dt e s to fc i r c u i ti sc o m p l e t e d b e c a u s eo ft h eh a r dc o n d i t i o nn e e do fa u d i op o w e ra m p l i f i e rs u p p l y , s u c h a st e m p o r a lr e s p o n s e ，f r e q u e n c yr e s p o n s e ，l o a da d j u s t m e n tr a t ea n dp o w e rs u p p l y a d j u s t m e n tr a t e ，t h el l c r e s o n a n tc o n v e r t e ri si n t r o d u c e dt of i l lt h er e q u i r e m e n t s o fh i g h - p o w e ra u d i op o w e ra m p l i f i e rs u p p l yd e s i g n i tm a k er e s p o n s et i m et o b er a i s e dt o 筇，w h i c ht h ew o r k i n gf r e q u e n c yo fm a i nc i r c u i te x c e e dl o o k h z ； t h en o i s eo fs w i t c h i n gc h a n g ed o n 、te x i s ti nt h ea u d i oo u t p u t ；a n db e c a u s eo ft h e t a k i n gs o f ts w i t c h i n gt e c h n o l o g y , t h ep o w e rr a t i oi sg r e a t l yi m p r o v e d i t 、sp r o v e d t h a tl l cr e s o n a n tc o n v e r t e rc a nf i tt h ea u d i op o w e ra m p l i f i e rs u p p l yi nt h e s i m u l a t i o na n de x p e r i m e n t k e y w o r d s ：o n e - c y c l e - c o n t r o l ( o c c ) ，l l cr e s o n a n t c o n v e r t e r ， s i m u l a t i o n 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 页 1 - 1课题背景 第一章绪论 1 9 8 2 年c d 开创了数字音响时代，1 9 9 7 年问世的d v d 开创了数字视听 时代，自从1 9 9 8 年以来，无线电传播的数字电视( d t v ) 在欧，美等国家 先后播出，数字电视也早已在我国出现在数字科技日新月异的进展中，所 有的家用音响组合和视听组合也将进一步向数字化方向发展，大势所趋，不 可阻挡。同时传统的模拟音响产品具有高音质的声音，仍然具有较大市场。 功率放大器，俗称“扩音机”，它的作用是把来自音源或前级放大器的弱 信号放大。一套好的音响系统功率放大器的作用功不可没。 优质的功率放大器除了优秀的线路设计，精良的元器件，细致的调整以 外，电源的性能致关重要。功率放大器电源是整个放大器的能量来源，没有 功率放大器电源功率放大器便无法正常工作电源的好坏直接影响功率放大 器的音质 尽管现在的功率放大器几乎是传统的整流滤波( 及稳压) 电源一统天下， 但也有它明显的不足，主要问题是能量补充速度较低，工频5 0 h z 经过全波 整流后也只有1 0 0 h z ( 即能量每秒补充1 0 0 次) ，整流后内阻大，为了降低内 阻，又不得已使用庞大的“水塘”( 即1 0 0 0 0 1 u f 以上电容滤波的电源系统) 滤波大电容储能。即使这样，在音乐爆棚时仍然会感觉后劲不足，影响了瞬 态响应。再一个就是形体大，耗材多，功率低，成本居高不下，阻碍了功率 放大器的进一步发展。 要想得到好的音质，就要有一台好的功率放大器，而好的功率放大器必 须具有一个好的能量来源电源，这已经是众所周知的原则。 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 页 1 - 2 开关电源发展及其现状 从2 0 世纪9 0 年代中期以来，随着高频开关电源技术的进展，其开关频 率已经从最初的1 0 4 0 k h z 提高到现在的1 0 0 k h z 甚至m h z 级，体积进一步 大幅度缩小，并且电磁对信号的干扰问题也得到了很大改善，其性能已经接 近于传统电源。现在已经有相当数量的厂商推出了使用开关电源的功率放大 器或推出音响专用开关电源。随着数字化音频功率放大器的上市，说明节能 与环保已经成为2 1 世纪人们所追求的目标。可以预计，随着开关电源技术的 进一步发展，功率放大器使用开关电源有可能会成为未来功率放大器电源发 展的一种趋势。 开关电源于传统电源相比，具有如下的特点： 效率高( 8 0 9 0 ) ，重量轻，有利于电源的小型化，轻量化。而 传统电源的效率只有2 0 4 0 ，能耗大，而且形体大而笨重 开关频率极高，可以高达数十k h z m h z 级，使能量补充速度极快， 可以改善功放的高频特性以及瞬态响应。传统能量的能量补充速度仅仅为 l o q 丑2 输出功率强大，在大动态爆棚时输出电压稳如泰山，应付动态范围大 的交响乐亦游刃有余。传统电源如要达到与开关电源同样的输出功率，则体 积与重量要大得多。 经济性好，比传统电源耗电省，有利于节能。 具有较完善的保护功能，安全可靠传统电源的保护功能较少，一般 只用保险丝做保护 新一代的高品质开关电源具有良好的屏蔽隔离能力。电磁干扰问题已 经得到较好的解决，纹波电压可望降至1 0 m ，传统线形稳压电源小于 5 m ，( 咋，为峰值电压) ，已能与传统电源媲美。 1 - 3 功率放大器电源的提出及其实现策略 开关电源虽然有无可比拟的优点，但在音响功率放大器中的应用却不尽 西南交通大学硕士研究生学位论文第3 页 人意。究其原因： 7 首先，是可靠性欠佳，加之价格偏高； 其次，是开关电源的纹波干扰和反应速度对音质也有影响。 因为开关电源工作在矩形脉冲状态，其谐波分量频谱极宽，要消除空间 电磁场辐射和输出电路中残余纹波比较困难。另外，无论脉冲频率调宽系统 还是脉冲频率调制，都需要经过脉冲变压器磁能，电能的相互转换，才能实 现稳压作用。因此开关电源对音响供电时，削顶失真产生的波形畸变必然会 影响功率放大器的性能。功率放大器如果使用开关电源供电，其“爆棚”效 果明显比传统电源差。 ， 由于开关电源具有的优异特性，使得各国音响界仍然在研究如何能使其 扬长避短的各种方案。目前主要有两种改进方案： 一是提高开关电源的工作频率，使磁场能量的存储，释放速度加快。音 响器材的工作频率最高为2 0 k h z 左右，以双极性开关管为核心的开关电源， 其频率上限不得超过3 0 k - z ，否则磁场转换速度难以适应。国外有些音响开 关电源将工作频率提高到了4 m h z 以上，不仅提高了开关电源的响应速度， 而且有利于开关脉冲噪声的抑制，同时减小了开关电源的体积。 第二种方案认为，开关电源的反应慢，问题出在p w m 系统，主张使用 无稳压功能的d c d c 变换器代替环牛( 即环形变压器) 及整流滤波器。为 了使变压器输出电压稳定在一定范围内，采取后置d c 变换器和线形稳压器 的方式此方案使自激式或它激式d c 变换器工作在最大脉冲宽度时，具有 传统电源储备功率为了改善d c 变换器的输出电压调整率，可以后置并联 稳压器。因为采用较高的工作频率，其频率，功率比，体积均优于传统电源， 但从长远看，开关电源在节约有色金属，能源方面有优势。 基于第二种方案的开关电源技术的功率放大器是目前功率放大器设计的 热点之一目前比较成熟的技术有全桥移相技术和l l c 谐振电源技术等。 下面分别简单介绍下： 全桥移相软开关技术目前已经广泛应用于低压，大电流开关电源领域， 技术方面已经非常成熟，各方面的资料也很多。它的基本电路结构如下图1 1 所示： 西南交通大学硕士研究生学位论文第4 页 图1 1 ：移相全桥基本拓扑结构 其工作原理：变换器采用移相控制方式。每个桥臂1 8 0 0 互补导通。两个 桥臂的导通角相差一个相位，一般把它叫做移相角。其中q 1 和q 3 的驱动 信号分别超前q 4 与q 2 一个相位，因此定义q 1 和q 3 为超前桥臂，q 4 与 q 2 为滞后桥臂。通过调节移相角的大小，也即是改变p w m 波的占空比来 调节功率的传输，从而得到合适的输出电压 移相全桥技术的全桥p w m 交换器是在中大功率d c d c 变换电路中最 常用的电路拓扑之一移相p w m 控制方式利用开关管的结电容和高频变压 器的漏电感作为谐振元件，使开关管达到零电压开通和零电流关断从而有 效地降低了电路的开关损耗和开关噪声，减少了器件开关过程中产生的电磁 干扰，为变换器提高开关效率，提高效率，降低尺度及重量提供了良好的条 件。同时保持了电路拓扑结构简洁，控制方式较为简单，开关频率恒定，元 器件的电压和电流应力小等一系列优点 但是移相全桥技术存在着的主要缺点是： 首先，移相全桥相对于其它拓扑而言结构较为复杂，由于在变压器一次 侧端有四个开关管，控制和驱动很麻烦。 其次，为了达到z v s 的目的，需要变压器具备很大的漏感值。这又会导 致占空比缺损。从而导致变压器转换效率不高。 而且滞后臂开关管在轻载下难以实现零电压开关，使得它不适合负载范 围变化大的场合当其电路不能实现零电压开关时，将产生以下几个后果： 西南交通大学硕士研究生学位论文第5 页 由于开关损耗的存在，需要增加散热器的体积； 开关管开通时存在很大的d d t ，将会造成很大的e m i ； 由于副边二极管的反向恢复，高频变压器副边漏感上的电流瞬变作 用，在二极管上产生电压过冲和振荡，所以，在实际应用中须在副边二极管 上加入r - c 吸收。 因此作为功放电源有自身的局限性，本设计不考虑利用其来实现功放电 源。 在高频开关电源的拓扑选择上，近年来，l l c 谐振变换器的拓扑受到越 来越多的关注。l l c 谐振变换器的拓扑本身具有一些优越的性能，例如可以 实现原边开关管在全负载情况下的零电压软开关( z v s ) ，副边整流二极管电 压应力低等等。同时由于它还具有效率高，输出纹波小，滤波简单，瞬时响 应快，负载可调范围大等特点，是目前最适合功放电源的一种电路拓扑，因 此决定采用其来实现功放电源。 1 - 4 本文的目标和研究内容 本文的研究目标如下： 通过对基于i r u 5 0 芯片控制a p f c 电路的研究，掌握单周控制的相 关技术和设计方法，在此基础上进行仿真分析，为拓展基于单周控制技术的 有源功率因数校正电路的应用奠定基础，最后做出电源板并调试成功。 通过对l l c 谐振电路的研究，学习，了解以及掌握l l c 谐振电路 技术的相关知识和设计方法，并进行仿真分析，为拓展l l c 谐振电源电路 的应用奠定基础。 本文的研究内容如下： 研究单周控制技术实现有源功率因数的条件，比较单周控制技术与传 统双环控制技术技术实现有源功率因数的差异。 设计一个输出功率为5 0 0 w 有源功率因数电源电路，并对该电源所包 含的电路与变压器参数进行设计与计算，在此基础上做出电源仿真和电路板， 对仿真结果和试验结果进行比较分析。 研究l l c 谐振电源的技术与原理，选择适合于低压，大电流开关电 西南交通大学硕士研究生学位论文第6 页 源的整流输出电路。 设计一个5 0 0 w 输出功率的l l c 谐振电路，对相关的电路元件和变 压器等参数进行设计与计算，并对电源进行仿真设计，将仿真结果和理论进 行比较。 西南交通大学硕士研究生学位论文第7 页 第二章前级a p f c 的电路设计 2 - 1 概述 功率因数校正( p f c ) 技术已经是目前一个重要的应用技术。到目前为 止p f c 技术经历了无源p f c ( p p f c ) 和有源p f c ( a n ，c ) 阶段。 无源p f c 一般采用电感补偿方法使交流输入的基波电流与电压之间相 位差减小来提高功率因数，但无源p f c 的功率因数不是很高，最多只能达到 7 0 一8 0 ，而且体积大，重量大。 传统有源p f c 主电路输出电压经分压器采样和基准电压比较后输入到 电压误差放大器，再将结果和整流电压采样信号共同输入到乘法器进行相乘， 其结果与开关电流采样信号进行比较，经过电流误差放大器比较加到p w m 及驱动上面，使输入电流波形与整流电压波形基本一致。 美国加州大学i r v i n e 分校的l 【s m e d l e y 教授开发了一种新的控制技术， 被称作单周期控制技术( o c c ) ，不再需要以前的a c 输入检测技术，使高性 能的c c m 模式p f c 解决方案能够变得结构紧凑。校正电流波形( 以保证高 功率因数1 所需要的信息全部来自d c 总线电压和回路电流。信息由单周期系 统来处理，用来改变p f c 的占空比o c c 技术采用的是可复位积分器 ( i n t e g r a t o r w i t hr e s e t ) ，也就是说，误差放大器的输出在一个开关周期内被 整合，产生一个可变斜坡。这个可变斜坡与误差电压进行比较、从电流感测 信号中减去，生成p w m 栅极驱动。这个控制方法提供了一种统一标准的控 制技术 基于单周控制技术，i r f 公司于2 0 0 5 年4 月推出了i r l l 5 0 芯片专用于 a c d c 功率因数校正电路，与传统的双环a p f 控制电路相比，外围电路 所需元件大大减少，设计周期也大大缩减。而且同样的单周期控制电路适用 于7 5 w 4 0 0 0 w 或更高功率的系统，是目前发展高功率密度解决方案的最佳 选择。 西南交通大学硕士研究生学位论文第8 页 2 - 2 芯片介绍 i r i l 5 0 芯片为普通s o - 8 封装，如下图所示： 芯片夕卜魂管脚符号盏述 1c o 醵 接地端 l r l l 5 0 8 2同啦 频率设置端 。i - r r，一g m 3 塔糙 宅琉采样端 n e 口r r r 如一 e 劓 过压保护监潮，使铯 _ b r r r m 5 c o m p 电压环补偿端 o ”h l - r r 田一 v f b 输出电压采样端 7 芯片供给电压端 8g 聘 门b 动电压输出端 图；瓜1 1 5 0 芯片管脚介绍 ：这是积分控制电路电位上的接地端，也是芯片的物理接地端，所有 的内部元件都必须在此处连接。 频率设置端，通过联结一个外部电阻到地，根据公司给出的一 个频率与外接电阻相关的曲线图，可以选择合理选择外接电阻来取得相应的 频率。本芯片频率变化范围为 一 娴挑 2 5 0 呐 5 0 盹 姚 f t袖lti 细i 外接电阻 图：芯片频率选择与外接电阻关素曲线图 盹 魄 盹 瑚 雠 御 * 系械士f 西南交通大学硕士研究生学位论文第9 页 3 i s n s ：作为开关管电流检测端兼有过流保护功能。在芯片内部它是电流误 差放大器的输入端。它的输出信号与电压误差放大器的输出信号进行简单运 算后将结果再和积分器的输出信号一起进行比较，在r s 触发器的作用下产生 p w m 驱动信号。 4 o v p e n ：如图( 2 1 3 ) ，当刚开始通电时，通过连接整流桥和输出端的二 极管d 2 使输出端电压迅速上升到3 1 0 v 7 左右，此管脚通过一组电阻分压器进行 电压采样后，将信号连接到过压保护比较器的输入端。当检测到采样电压信 号高于1 0 5 5 倍基准电压p 0 时芯片被钳止；否则芯片将继续工作。如果这个 管脚上的电压低于某一水平时，芯片将进入“睡眠”模式。 5 c o m p ；在芯片内部联结到输出采样电压误差放大器输出端和积分器的输 入端，在外部此管脚通过一系列外部电路接到电源地端，实际上这部分电路 起着p i 调节器的作用，影响着输出的响应速度和稳定。 6 v f b ：由于主电路的拓扑结构是b o o s t 转换器，而b 0 0 s t 转换器的特点 之一是它是一款升压变换器，因此其输出电压圪比经过整流桥整流后的电压 ( 大约为3 1 0 v 左右) 大一些，一般取其输出电压的范围在3 8 0 v 4 0 0 v a 间， 本试验中取圪- 4 0 0 v 。通过一组电阻分压器将电压信号输入此管脚，而在芯 片内部这个管脚则是输出电压误差放大器的输入端。进入此管脚的输出采样 电压不能过高或过低，此芯片初步确定采样电压在7 瞄右 7 v c c ：供给电压输入端，作用是给芯片工作提供电能。本芯片的工作电压 取值范围在1 5 驴v 2 0 眩间。 8 g a t e ：本芯片的驱动电压有- + 1 5 , 4 的峰值电流，与其他的芯片相比，能 提供更强的驱动能力 2 - 3 单周控制是一种非线性控制系统 所谓单周控制，就是每个开关周期内控制开关管的占空比d ，使开关变 量的稳态平均值或瞬态平均值等于参考量或与参考量成比例单周控制方法 不是直接控制输出量使其等于参考值，而是通过控制与输出值相关的器件上 的变量来间接控制输出。单周控制中的开关可以是任何形式的开关，既可以 是物理开关，也可以是电气开关或机械开关，而且还可以是能转换为开关变 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 0 页 量形式的函数。每个开关周期的误差都在本周期内消除，前一个开关周期的 误差不会带到后一个开关周期，这也是为什么称为单周控制的原因。单周控 制的核心部分是带复位端的计分器和比较器。其控制电路的原理如图( 2 3 ) 所示： 图2 - 3 ：单周控制原理图 图中s 为开关，x ( f ) 为开关s 的输入变量，y ( f ) 为开关s 的输出变量，f 为计分器的计分时间常数，且f - r c 。单周控制的原理如下：假设开关s 的 开关频率是，j ，开关周期是 因为：，- 。( 2 一1 ) l j 开关函数s ( f ) 可以表示为： - 忙装毒- ：浯z ， 式中，l 表示开关的开通时间， 足乙+ - l ，开关的占空比为d ， 输出变量y o ) ，输入和输出的关系为： 表示开关的关断时间，l 和砀满 d - 乙瓦，输入变量x ( f ) 经过开关s y p ) is ( f ) x ( f ) ( 2 3 ) 假设开关频率比输入变量x ( t ) 的频率大得多，则在每个开关周期内开 关的输入变量工o ) 可以看成常量，那么输出变量可以表示为： y ( f ) - 手。x ( t ) a t - z o ) 主。d t l 工。矽( f ) ( 2 4 ) 因为输出l r ( f ) 是输入石( f ) 和占空比d ( f ) 的乘积，所以开关时非线性的， 故单周控制是一种非线性控制方法。 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 1 页 如果控制开关的占空比d ( t ) 使开关变量在每个开关周期内的平均值等于 参考值在该开关周期中的积分值，即： f x ( f 渺，o 陟。暂( f 渺。n ( 曲) 可见，通过单周控制，开关有效输出信号y 稚) 一( f ) 2 - 4 基于单周控制技术的有源功率因数校正 在上一节的论述和推理中已经证明了单周控制系统是一个非线性系统， 接下来在本节中我们将详细分析单周控制在有源功率因数校正电路中的运行 原理 在推导之前，我们先假设我们的有源功率因数校正电路系统的基本拓扑 是b o o s t 电路，假设其工作在连续模式( c c m ) ； 再假设有源功率因数校正电路的输出端的稳压电解电容c 0 足够大，由 于电容c 。的强大稳压作用，则输出电压在一个开关周期内可以视为稳定不 变： 最后又假设本系统的开关频率，i 远大于电网电压频率和非线形负载电 流频率 图2 4 ：b o o s t 电路的基本拓扑 根据b o o s t 电路工作原理，它有两个工作状态： 当开关导通时，电能以磁能形式储存在电感线圈中此时电容乞放 电。如图( 2 5 ) 所示： 西南交通关学硕士研究生学位论文第12 页 + 同 c o + v o i 1 图2 5 ：开关导通时的b o o s t 等效电路图 当开关关断时，由于线圈中磁场将改变线圈两端的电压极性，以保持 通过线圈的电流不变这是线圈磁能转化成的电压与电源电压串联，以高于 圪的电压向负载和输出电容供电 如图( 2 6 ) 所示 图2 6 ：开关闭合时b o o s t 电路的等效电路图 当b o o s t 电路工作在c c m 模式下时，其电感上的电压和电流波形如 图( 2 7 ) ： 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 3 页 i ： f 1 v g l 1 l。 一 l i i 一 。f s。巾) 图2 - 7 ：b o o s t 电路在c c m 模式时电流( a ) 和电压( b ) 波形 在o s fs t i r , 期间，存在下列方程组： e 一t 沼6 ， i 吒一匕 在d 互墨f 蔓互期间，存在下列方程组； j 。- 半( 2 7 ) i 屹- 匕一 。 由于前面假设开关频率远大于线网电压频率( 我国一般取5 0 h z ) 和非线 形负载电流频率。则在很短时间内可以认为电感上通过的电流的波形是不变 的，即：- i s ，乇- i t 又根据假设，当电源系统处于稳态运行时，在一个 周期内电感电压的平均值为零，则有下列公式： 匕x d t , i l l q ：o 一屹) ( 1 一d ) 。( 2 - 8 ) 整理( 2 - 8 ) 式，则有屹- 0 一力x 。( 2 9 ) 而功率因数校正的目的是使输入电流跟随输入电压，即可以建立等效模 型： 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 4 页 - i v , ( 2 1 。) 其中r 为输入等效电阻 将( 2 1 0 ) 式代入( 2 9 ) 式e e ： r - = 0 一d ) 圪( 2 1 1 ) 将( 2 - 1 1 ) 式子左右各乘以e ，整理得： ， i ，r - - - 一0 小号导( 2 - 1 2 ) 令式中屹一等手( 2 1 3 ) 其中e 为电感电流检测电阻。 为了方便分析，再将( 2 1 2 ) 式变换之得： 屹一f 。r d 圪( 2 1 4 ) 令k p ) - v 一墨( 2 1 5 ) 再令吒( f ) - d 匕一曼r 匕。弦( 2 - 1 6 ) 以( 2 1 5 ) 式和( 2 1 6 ) 式联立方程组，故此方程组就是单周控制技术 ( o c c ) 的控制方程组。通过这个方程组比较电路即可确定占空比d 。 2 - 5 单周控制的核心 单周控制的核心是一个可复位的积分器，它对调制电压圪进行计分，并 且在每个开关周期结束时复位 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 5 页 图2 - 8 ：单周控制可复位积分器环节结构示意图 因为电压环的频带宽度非常小，调制电压的变化即使在一个开关周期内 也显得非常慢，因此可以将其视作稳定不变的。这意味着积分器的输出为线 性斜坡电压。积分器斜坡电压的坡度与误差放大器的输出电压屹直接成比 例，如下图所示： 图2 9 ：可复位积分器的特点 另一个重要的特点是：积分器的积分时间必须与开关周期一致，这样， 在每个循环周期结束时积分曲线的斜度与积分器积分的值一致。 从调制电压圪中减去电流采样电阻两端所得的电压就是p w m 比较器的 参考电源。换成公式表示，即为：屹一x 这就是规定的普通单周控制p w m 的输入格局，其目的是为了对b o o s t 转换器电压下降沿进行调制控制 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 6 页 这个控制技术不要求直接的输入线电压信号采样：这是因为线电压的信 息已经蕴含在通过电感的主电路电流之中了 2 - 6 电流环和过流保护 电流采样脚i s n s 是电流采样误差放大器和过流保护比较器的共同的输 入端。 i r i i s o 芯片提供两种电流限制保护模式：第一种是“软性”电流限制 ( “s o f t ”c u r r e n tl i m i t ) ，即它的本质上是占空比限制向后叠加型：转换器 占空比被限制到一个极点，占空比达到这个极点后输出功率被限制并且输出 电压开始下降；另外一种也叫做“峰值”电流限制( “p e a k ”c u r r e n tl i m i t ) ， 一旦电流峰值超出峰值电流限制门限，芯片就终止当前的驱动脉冲输出。 电流采样电阻的选择应该基于最小的输入电压和最大的输出功率条件。 这样的目的是为了保证在这样的条件下常规的操作正常运行。 电流误差放大器有一个直流增益g d c 一2 5 ，其作为内部补偿并且带宽限 制在2 8 0 k h z 之上。单周控制芯片工作在峰值电流模式上，而且开关电流能 被用作电感电流的替代，通过采样电路将其信号输入i s n s 脚。 电流采样传感器的电压y r 鲫的取值范围在o 1 y 之间。 电流采样电阻决定着过流保护的极点。当电流达到这一极点时，输入电 流要被截止，而且输出电压要降低。 最糟糕的情况是系统工作在低压线路里，当电流达到最大时，b o o s t 电路的功率因数也为最大电流采样电阻足。必须被设计得合理，以便系统工 作在最低输入线路和最大负载条件下时，本系统能使输出电压维持在一个稳 定的水平。 在输出电压为理想状态并且最小输入电压已知的情况下正弦波电压峰值 的占空比计算公式为； d = 兰! 墅生( 2 1 7 ) 匕 其中：屹为输出电压，我们设定输出电压为屹4 0 0 v ； 已知：输入电源为市电：圪- 8 5 2 6 5 v o 则最小输入电压圪f d 蛐- 8 5 1 i 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 7 页 又因为电压为正弦波形，则最小输入电压峰值为： 圪( ，- 勿z ( 口蛐- 4 2 x8 5 - 1 2 a y ( 2 1 8 ) 将上面的数据代入式( 2 - 1 7 ) 可得： d 。4 0 0 - 1 2 0 0 7 ( 2 1 9 ) 4 0 0 当输入电压降低或负载增加时，电压环的作用是增加调制电压圪来作出 反应 图2 - 1 0 ：误差放大器电路 转换器的输出电压圪通过电压分压器采样得到，输送到误差放大器 的输入端。误差放大器一方面提供电压环补偿，另一方面产生误差信号或调 制电压屹，如图( 2 - 1 1 ) 所示。 但是当屹电压值达到它的最大值，电容c ，充满电后主电路电流开始 增加以限制占空比，并且导致输出电压降低。 图2 n ：电压误差放大器内阻r ，与占空比的天糸 由图( 2 - 1 2 ) 所示；由三角形的等比关系可以看出占空比在每个周期内 虾零氅耋筻乇q 珈! 匕：垒兰! 塑。亨- d 其中之一r：霎冀产四鳖：-。，。二2， 将篓竺三三纛蓊纛二孟觥秕 取极限情况下，电流采样取得的电压为最天嗣唧”4 1 。一，。，、 ? 由鲁件下。通过电流采样电阻设置“软性饨流限制要求 在最小输入电压条件下，通过电流采样电阻瞬巨矾4 ” 脯黧蒜三磊磊： 冀三警器嚣詈鬣嚣言篙晶主嚣器兰：；将数据代 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 9 页 - 6 0 5 f x ( 1 - 0 7 ) 一o 7 2 5 v ( 2 2 4 ) 根据极限条件，即过载系数k 。- 5 ，且峰值电感电流为最大计算 电流采样电阻，存在下面公式： l 畔m 以( 雎，。+ 等) x j ；乙。( 2 2 5 ) 其帆( 枷等越( 2 - 2 6 ) 由于输入为市电( 8 5 v 2 6 5 v ) ，则可以取圪( m a ) _ 一8 5 矿。 且最大输入功率的计算公式为： 最和哪- 专 一5 。0 0 蛇w - s 躬s 矽z z t ， 将计算结果代入式( 2 - 2 6 ) ： _ 哗) 一- , 压1 x f 5 4 3 5 9 0 4 2 9 o “( 2 2 8 ) 再令本转换器电流的纹波系数为3 0 ，则电流纹波计算公式如下： 虬a 3 0 l 一- 0 3 x 9 0 4 2 7 1 , 4 ( 2 - 2 9 ) 再将计算结果( 2 - 2 8 ) 和( 2 2 9 ) 代入式( 2 2 5 ) ，计算出输入过载电流 峰值为： k 咩肌( 9 0 4 + 三3 1 0 5 1 0 9 1 6 1 0 9 2 a ( 2 3 0 ) 由于在电流采样电阻的选择要求是承受芯片电流采样端规定输入电压的 同时电阻上能够通过主电路的过载电流。则采样电阻可以根据下式计算： 因为凡- i v 口v s ( r a u ) 一罢署一o 蝴协s ) 我们再计算电流采样电阻上消耗的功率： 根据电力电子的基本知识，功率的计算公式为： 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 0 页 气- k ( m ) 眦2x r , ( 2 - 3 2 ) 予因为：l 。，一瓦j 丽乏：i 五石q 。3 3 由前面可知：叩_ - 0 9 2 ；圪_ 一8 5 1 i ； 令p f 0 9 9 代入上式：l 【。卿。- 面无i 5 两0 0 历w 乏石丽一6 4 5 8 - 6 4 鲋一( 2 - 3 4 ) 再将结果代入上式：& - ( 6 4 6 ) 2 x 0 0 7 2 9 2 w1 妫3 w 因此选择电流采样电阻为0 0 7 q 3 w 2 7 电压反馈环 单周控制芯片i r l l 5 0 控制的有源功率因数校正电路d e m o 版基本电路 如下图： l i 0 u t n t 上 虻瑚p l 丌 ， ，芒为翌。_ j 莲e 爵 生 夕x h 一f n 篷* c f r m n * c ；旷一 血 卜，、户 附 嚷 一上 叶锈r g ；上咖 岬f 町 1 qi 。 图2 - 1 2 ：i r l l 5 0 控制的有源功率因数校正电路基本电路 从前面的章节中我们可以看出，基于单周控制原理的功率因数校正电路 采用的控制策略如下图所示： 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 1 页 图2 - 1 3 ：电压环框图结构 由图( 2 1 4 ) 可以看出，系统的开环增益为： r ( s ) - g o ) h i o ) 日2 0 ) 日3 0 ) ( 2 3 5 ) 2 7 1 输出分压器( o u t p u td i v i d e r ) h l o ) ： 电压分压器将输出电压采样，并与基准电压在误差放大器上进行比较， 如图( 2 1 0 ) ，存在下式： - i 善k 坼c 2 粕， 增益疗，o ) - 等( 2 - 3 7 ) 这个阶段简单地减弱了输出电压信号，因为基准电压- 7 v ，输出电 压屹- 4 0 0 ；i 则日1 去i o 0 1 7 5 _ o 0 1 8 - 3 4 8 d b 二( 2 毛8 ) 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 2 页 2 7 2 误差放大器( e r r o r a m p l i f t e r ) 何2 0 ) ： 电压误差放大器的结构图如图( 2 8 ) ，这是一种跨导型的放大器，它的 传递函数为： 以o ) 一丽g i x 了( z + s 瓦x r ”丽x c z ) 误差放大器输出端的补偿电路为传导函数提供了一个参考极点( p o l e ) 和一个参考零点( z e r o ) 。 当和q 作用发生时，这是传导函数的参考零点，其振荡频率为： 厶。瓦丽1 当，g 和c ，一起作用发生谐振时，这时电容c z 和电容q 并联与 电阻串联，这是传导函数的极点，其振荡频率为： ( 2 - 4 1 ) 实际的振荡频率在和饥之间。 2 7 3 功率级( p o w 盯s t a 辞) ：日3 0 ) g o ) b o o s t 功率级低频小信号等效电路如图( 2 1 4 ) 所示： 图2 - 1 4 ：b o o s t 电路功率级低频小信号模型 定义：吃为输出电阻；c o 输出大电容；y 。为调制电压，使电压误差放 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 3 页 大器的输出电压；为电流误差放大器的直流增益，在芯片内部被设置为 2 5 v v ；圪为输入电压的峰值 恒定的功率负载r 工取值可能为负值。尤其是当功率因数校正( p f c ) 电 路的负载是一个d c d c 变换级时，这是一个典型的情况：如果这一级的输 入电压降低，为了维持输出功率稳定，系统的反应是增加输入的电流 在这个例子中，负载民用，来标识并且抵消，存在关系： 皇上( 2 - 4 2 ) i 。石 当电源的负载是纯电阻性时，又有下面的关系： 见 石v o 。品2 再( 2 - 4 3 ) 本次试验中我们不考虑纯电阻性负载。 为了推导出萼，我们需要考虑单周控制p w m 调制模式，控制的方式 矿- 是： e d - 南( 2 令膨p ) 拿 y 因为v f - 圪+ y h ( 2 - 4 5 ) 代入( 2 4 4 ) 式替换并且排除小信号交叉的期限，整理得： 善! l ( 2 4 6 ) 万v o 一& e 朋“一 电源输出的平均电流能从输入电流计算出来： 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 4 页 ；，- 等- 鱼乎肥哪， 亟旦( 2 4 8 ) 一i _ = 一、 p 吒r l g w 对恒定功率负载的输出的控制法为： v o f 上笠一。上( 2 4 9 ) i y ：r i g ws c o 由式( 2 4 9 ) 可以看出：功率级的增益变化与输入电压直接相关 2 - 8 单周控制技术与双环控制技术比较 所谓双环控制技术即是控制策略是由一个电流环和一个电压环进行电流 和电压采样，并经过乘法器完成逻辑来实现的。具体如图( 2 1 6 ) 所示； 图中电路为一个b 0 0 s t 有源功率因数校正电路的原理图。虚线框内为 双环控制模式的控制电路，包括：电压误差放大器助，基准电压k ，电流 误差放大器c a ，乘法器，脉宽调制器( 图中未画出) 以及驱动器等。 图2 - 1 5 ：b o o s t 有源功率因数校正电路的原理图 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 5 页 双环控制模式的有源功率因数校正电路的工作原理是这样的：主电路的 输出电压圪先和基准电压e 在电压误差放大器翻上进行比较，并将结果输 出到乘法器输入端，与整流电压p k 相乘，乘法器的输出则作为电流反馈控 制的基准信号，与开关电流f 的检测值相比较后，经过电流误差放大器“ 加到p w m 驱动器，以控制开关q 1 的通断，从而使输入电流( 即电感电流) 的波形与整流电压的波形基本一致，使电流谐波大为减少，提高了输 入端的功率因数，由于功率因数校正器同时保持输出电压恒定，使下一级的 开关电源设计更为容易。 观察前面的叙述，我们可以看出，单周控制原理的有源功率因数校正电 路的核心是可复位的积分器，同时与双环控制原理的有源功率因数校正电路 相比，省略了整流电压y k 检测这一环节。这是因为整流电压y 0 的信号已经 包含在输入电流( 即电感电流) 之中。在每个周期内对输入电流信号以及输 出电压信号进行比较分析，并控制开关管的通断。 由于省略了输入电压检测这一环节，从而单周控制原理的有源功率因数 校正电路与双环控制原理的有源功率因数校正电路相比，首先是电路结构要 简单得多，所需要的元器件数量也要少得多有利于合理降低成本。同时调 试也简单得多。 2 - 9p s i m 软件介绍以及a p f c 仿真 p s i m 是加拿大p o w e r s i m 技术公司开发的，专门用于电力电子系统以 及电机控制的仿真软件能够提供友好用户界面，具有快速仿真和多功能波 形处理等优点，并包含丰富的控制元件库，为电力电子系统设计与控制回路 分析等提供了强大的仿真开发环境。利用该软件可以快速地对电力电子装置 的模型进行准确，直观，高效的仿真。另外p s i m 也提供了h 等传统控制器模 块，而且允许嵌入c 伦+ + 等代码编写的控制算法，甚至还有一个新的模块 s i m c o u p l e r 为p s i m 和m a t l a b s i m u l i n k 共同仿真提供了一个接口，使得 p s i m 可以利用m a t l a b s i m u l i n k 中建立的控制模型一起进行