变频器开关电源工作原理.doc

变频器开关电源工作原理首先我们先通俗地概括一下开关电源电路的工作原理： 开关电源，顾名思义是指工作在开关状态下的电源电路，那么，电路中哪一个元件工作在开关状态呢？我想大家都知道，就是电源管（通常称为开关管）。既然电源管工作在开关状态，因此电源管必须具备良好的开关特性，所以电源管通常采用大功率晶体管或场效应晶体管（以场效应晶体管为多）。要让电源管工作在开关状态，就必须有一个能使电源管由截止变为导通，再由导通变为截止的电路（称为振荡电路），过去大多用分裂元件组成，而现在常用IC（如UC3844）集成电路。而电源管的导通和截止就使流过N1(开关变压器主绕组上)的电流发生变化，从而产生一个电动势，这个电动势的波形就是一个脉冲信号（称为脉宽调制信号简称PWM）。开关变压器是一个电磁转换器件，负责一次、二次功率转换，根据变压器的原理，初级和次级线圈匝数之比决定次级感应电动势(脉冲电压)的大小，而线圈的线径决定该绕组所能承受电流的大小（功率），这个电动势的波形也是一个脉冲信号（脉宽调制信号），且频率和输出的开关频率相同，只是峰值不一样而已，再经过整流和滤波后，就可以得到相应的直流输出电压。变频器开关电源主要包括输入滤波电路，输入整流滤波电路，功率变换电路，控制电路，保护电路，输出整流滤波电路。1、输入滤波电路：C1、L1、C2、C3组成的双型滤波网络主要是对输入电源的电磁噪声及杂波信号进行抑制，防止对电源干扰，同时也防止电源本身产生的高频杂波对电网干扰。当电源开启瞬间，要对C5充电，由于瞬间电流很大（电容器的电压不会跃变，开启瞬间相当于短路，电感的电流也不会跃变，开启瞬间相当于开路）。接入RT1（热敏电阻）就能有效的防止浪涌电流。因瞬时能量全消耗在RT1电阻上，这时电阻的温度快速升高后，RT1阻值减小（RT1为负温系数元件），这时它的能量消耗非常小，后级电路可正常工作。2、整流滤波电路：交流220由桥式整流电路（D1-D4或用桥堆）整流后，经C5滤波后得到较为纯净的直流电压。C5常用100uf400v以上的电解电容器，若容量变小，输出电压的交流纹波将增大。整流后的直流电压为311V(220*1.4143),整流后的电压波形为脉动电压波形。（当交流220处正半周时，D1和D3导通，处负半周时D2和D4导通）C4为开关电源初级地和交流大地的隔离电容，防止交流短路。3、功率变换电路：功率变换电路由电源管和开关变压器组成。a、电源管：目前应用最广泛的是绝缘栅场效应管MOSFET(MOS管)，是利用半导体表面的电声效应进行工作的，也称为表面场效应器件，由于它的栅极处于不导电状态，所以称为绝缘栅，输入电阻可以大大提高，最高可达100K欧，MOS管是利用栅源极电压的大小，来改变半导体表面感应电荷的多少，从而控制漏极电流的大小。b、开关变压器：开关变压器是一个电磁转换器件，负责一次、二次电路的功率转换，所以是开关电源的关键器件之一。4、控制电路和保护电路：控制电路和保护电路由I101(PC1) 、I102(PC3) 、PC2组成，PC1为专用振荡芯片，是振荡、稳压与保护的控制中心。PC2是一只光耦（光电耦合器）跨接在一次和二次绕组之间（开关变压器），既将负载供电电压的采样信号传送给PC1,又起到对输入、输出供电绝缘隔离的作用。PC2可依输出侧、输入侧为界，将稳压电路切成两部分。PC3为电压基准源电路（TL431）, PC2的工作状态，完全依赖于PC3的工作状态。两者结合承担着对输出电压的控制和电路过流和过压的保护。 UC3844是一种高性能电流型脉宽调制器(PWM)控制器。早期的PWM控制器是电压控制型的,常用的电压型PWM控制器有TL494、TL495、SG3524、SG3525等。电压型PWM是指控制器按反馈电压来调节输出脉宽,电流型PWM是指控制器按反馈电流来调节输出脉宽。电流型PWM是在脉宽比较器的输入端,直接用流过输出电感线圈电流的信号与误差放大器输出信号进行比较,从而调节占空比,使输出的电感峰值电流跟随误差电压变化而变化。由于结构上有电压环、电流环双环系统,因此,无论开关电源的电压调整率、负载调整率和瞬态响应特性都有提高,是目前比较理想的新型PWM控制器。 1 电流型PWM控制与电压型PWM控制原理及性能比较1. 1 电压型PWM控制电压型PWM控制系统框图如图1所示。电源输出反馈电压Uf与基准电压Ug比较放大得到误差电压Ue,该误差电压再与锯齿波发生器产生的锯齿波信号进行比较,产生占空比变化的矩形波驱动信号。这种结构属于典型的单闭环系统,缺点是控制过程中主电路的电流没有参入输出控制。由于电感的作用,电流滞后于电压的变化,因而系统响应速度慢,稳定性差。图1 电压型PWM控制系统框图 1. 2 电流型PWM控制电流型PWM正是针对电压PWM型的缺点发展起来的。它在原有的电压环上增加了电流反馈环节,构成电压电流双闭环控制。内环为电流控制环,外环为电压控制环。无论电流的变化,还是电压的变化,都会使PWM输出脉冲占空比发生变化。这种控制方式可改善系统的电压调整率,提高系统的瞬态响应速度,增加系统的稳定性。其控制系统框图如图2所示。图2 电流型PWM控制系统框图 1. 3 电流型PWM控制的优点a) 电压调整率好。输入电压的变化立即引起电感电流的变化,电感电流的变化立即反映到电流控制回路而被抑制。不像电压控制要经过输出电压反馈到误差放大器,然后再调节的复杂过程,所以响应快。如果输入电压的变化是持续的,电压反馈环也起作用,因而可以达到较高的线形调整率。b) 负载调整率好。由于电压误差放大器可专门用于控制占空比,以适应负载变化造成的输出电压的变化,因而可大大改善负载调整率。c) 系统稳定性好。从控制理论的角度讲,电压控制单闭环系统是一个无条件的二阶稳定系统。而电流控制双闭环系统是一个无条件的一阶稳定系统,系统稳定性好。2 电流型PWM控制芯片UC3844的基本原理UC3844各脚的功能：脚为输出补偿，误差放大器输出，并可用于环路补偿。脚为电压反馈输入，误差放大器的反相输入端。脚为电流取样输入，一个正比于电感器电流表的电压接至此输入。脚为RC振荡器，通过将R连接至Vref以及电容C连接至地，使振荡器频率和最大输出占空比可调，工作频率可达1MHz。脚为地，是控制电路和电源初级的公共地。脚为输出，可直接驱动功率MOSFET的栅极，输出平均电流值为200mA ,最大峰值电流1A。脚为电源cc,是控制集成电路的正电源。脚Vref（参考电压），通过电阻R向电容C提供充电电流。UC3844是电流型单端输出式PWM,其最大占空比为50%,启动电压16V ,具有过压保护和欠压锁定功能。当工作电压大于34V时,稳压管稳压,使内部电路在小于34V电压下可靠工作;当输入电压低于10V时,芯片被锁定,控制器停止工作。其内部框图和引脚图如图3所示。图3 UC3844 内部框图及引脚图 在图3中,反馈电压和2.5V基准电压之差,经误差放大器E/A放大后作为门限电压,与反馈电流经采样后的电压,一起送到电流感应比较器。当电流取样电压超过门限电压后,比较器输出高电平触发RS 触发器,然后经或非门输出低电平,关断功率管,并保持这种状态直至振荡器输出脉冲到触发器和或非门为止。这段时间的长短由振荡器输出脉冲宽度决定。PWM信号的上升沿由振荡器决定,下降沿由功率开关管电流和输出电压共同决定。反转触发器限制PWM 的占空比调节范围在050%之内.UC3844的振荡工作频率由引脚4与引脚8之间所接定时电阻RT、引脚4与地之间所接定时电容CT设定。计算公式为:f=1/T=RTCT/0.55=1.72RTCT。（通常38KHZ左右，1.72*2200*10000=37.84KHZ）引脚2是电压反馈端,将取样电压加至E/A误差放大器的反相输入端,与同向输入端的2.5V基准电压进行比较,产生误差电压。利用内部E/A误差放大器可以构成电压环。引脚3是电流反馈端,电流取样电压由引脚3输入到电流比较器。当引脚3 电压大于1V时,输出关闭。利用引脚3和电流比较器可以构成电流环。引脚1是补偿端,外接阻容元件以补偿误差放大器的频率特性。引脚8为5V基准电压,带载能力50 mA。引脚6为推挽输出端,有拉、灌电流的能力。引脚5为公共端。引脚7为集成块工作电源端,电压范围为8V40V。UC3844的输出级为图腾柱式电路,与SG3525的一端完全相同。输出平均电流值为200mA ,最大峰值电流1A