【《某数控电源总体方案分析案例》3100字】

某数控电源总体方案分析案例目录TOC\o"1-3"\h\u24777某数控电源总体方案分析案例 1166731.1数控电源设计方案 1258061.2电源主电路的分析与选择 2182691.3电源软开关技术 61.1数控电源设计方案数控开关电源的定义并不唯一，不同的人对其定义有不同的见解。但受到较多人认同的主要有两种，第一种定义是具有数字通信作用的电源。这种定义认为数控开关电源的核心功能是数字通信。第二种定义是具有数字监控作用的交流电源。同一电源为模拟电源，仅显示数字监控功能。从上述描述中就可以看出，两种定义只是对数控开关电源的核心功能定义有所区别，但是都将这种电源归类于模拟电源，包括内部采样功能和PWM生成功能等。它们是通过模拟电路实现的，此外，电源的一些外在表现由于实际需要的不同，因此可能需要进行一定的改进。从技术方面来说，电源虽然使用了数字技术对交换机电源的运行进行控制，但是实际控制并没有体现出数字控制的特点和优点。本文设计的数字控制电源是采用电源内采样，通过算法、PWM生成、通信、监控等数字控制技术实现的电源产品。它使用STC12作为控制核心，实现人机界面，还可以监控输出电压电流和电源温度等指标，实现电源系统的保护，与算法协调优化电源控制策略，提高整体电源性能。本设计中的数控电源运行机制：首先由STC12微控制器进行采样分析，并将得到的电压信号进行转换形成数字信号，将数字信号传输到PWM控制器中进行处理，便可得到具体的控制信号，由于控制方法选择了偏移控制，控制开关管的四个PWM驱动信号通道必须互补且具有死区，可以通过更改前后桥臂驱动信号的移动角度和偏移角度大小来改变电压和输出电流。通过分析电源内电压变化规律，可以发现本文设计的数控开关电源有四个电压变化阶段，分别对应前级整流滤波器、全桥反转滤波器、高频整流和输出滤波器总体结构如图1.1所示。一是由于整流桥的作用单向交流电网会将直流电压传输到变换器中，直流电压经与桥臂开关管协调，以极高的频率进行转换处理可以得到交流方波电压，通过前置变换器绝缘降低电压最后导出所需电压值，其中前整流滤波器不仅会改变直流交流电压。滤波电路的存在能够有效降低电路中出现的噪音影响，其他干扰因素所带来的不利影响也会有所降低，因此提高了电网运行的稳定性。图1.1系统总体结构图1.2电源主电路的分析与选择1.1.1DC/DC变换器的电路结构选择DC/DC转换器可以分为两大类:隔离转换器和非隔离转换器，其中Cuk、Sepic和Zeta是基于三种最常见的电路类型(Buck、Boost和Buck-Boost)开发的非隔离电路，因为它们结构复杂且利用率低由于此电源的转换器使用隔离结构，因此可用的电路包括正电路、负电路、滑动电路、桥接电路等。正变换器也就是我们熟知的DC/DC变换器，变换器的主要作用就是实现绝缘输入或者输出的目的。因此正变换器实际上是具有电气绝缘的Buck变换器，其电路如图1.2所示。当开关管被打开时，变换器负责进行能量传输，此时的正激变换器充当的作用和开关变换器大致相同。从图中可以看出，整体电路结构较为简单，为了保证电路运行的安全性，应该加设复位电路，有效提高变压器磁芯的性能，由于开关耐压条件限制，逆变器的输入和输出电压相对较低。图1.2单管正激式变换器电路结构图变频器的本质是DC/DC变换器，使用高频变换器作用是实现输入输出绝缘。它基本上是一种电气绝缘Buck-Boost变换器，其电路如图1.3所示。反向激励变换器与正向激励变换器的能量传递是在开关关闭时向负载传递能量。由于变频器中的高频变压器除了具有压缩功能外，还相当于储能电感，因此变频器也称为感应储能转换器。反激变换器电路构造单一，电压升降范围广，连续二极管和感应储能滤波器低于正激变换器，磁复位功能可通过二次绕组和整流二极管实现，是开关电源最小的但逆变器输出波形电压较大，变压器磁芯利用率较低，通常用于功率较低的情况。图1.3反激式变换器电路结构图牵引变换器是一种常用的直流变换器，其主要优点在于磁芯利用率相对较高，电路见图1.4。当推动器正常工作时，由于PWM脉冲的作用影响，两个电源开关管会轮流处于开合与关闭状态，开关管不会同时闭合或者打开。在传导的要求时间内，变换器会将电路中的直流输入电压进行转换，从而得到变压器运行需要的高频方脉冲电压，脉冲电压会传输到变压器中的单绕组中。推挽式变换器的特点在于输出功率相对较高，并且驱动电路结构十分简单，只存在单个开关管用于进行降压处理，所以开关基本没有什么严重损耗。但是电力开关管由于运行环境的特殊性，所以必须符合一定的耐压标准。电路中不同开关管通常参数是优速不同的，主要因为参数相同在运行一段时间后可能会出现磁化问题，此外，每个直流绕组。图1.4推挽式变换器电路结构图半桥变换器电路如图1.5所示，也是两端直流变换器的一部分。与单极性高频变换器相比，半桥变换器高频变换器磁芯利用率翻了一番，由于其固有特性，它n此外，半桥回路中使用的功率开关管与牵引变换器相比具有较低的耐压值，最大电压为输入电压，但半桥变换器也存在缺陷，输出功率只有变换器功率大小的二分之一，并且半桥变换器输出电压会出现顶部倾斜问题，因为添加到高频变换器主侧线圈的电压是C1和C2电容两端的电压，电压值因电容放电动作而逐渐减小。图1.5半桥式变换器电路结构图LLC谐振变换器是对半桥变换器进行优化和改良后得到的一种变换器，具体结构如下图所示。它的主要特点是提高了开关的灵活度，并有不会造成严重的开关损耗情况，并减少了EMC的设计难题，但此种变换器的缺点在于谐振点的控制难度较高，在开始运行时电阻附近电压值为0，过电压高，从而导致磁芯出现饱和情况。图1.6LLC谐振变换器电路结构图全桥变换器中分为了几大不同组成部分，具体结构可以在下图中进行了详细的说明。其工作方式、操作方法和驱动控制与半桥变换器相似。全桥和半桥变换器在输出功率方面有较大的差别，前者是后者的两倍左右。与牵引变换器相比，全桥变换器中的变压器数量要更多，因此功率开关管上的电压较低。图1.7全桥式变换器电路结构图各电路的范围和优缺点见表1.1。总之，本文采用全桥作为DC/DC变换器的主要电路，具有以下两个优点。首先，其电路结构简单，元件不多，适用于中、大功率情况，电路结构便于磁复位，消除直流部分磁化，输出功率远超半桥变换器，其次是全桥变换器频率更高、耐干扰、开关管耐压值低、工作效率高，符合本文设计的数控开关电源设计要求。表1.1各个电路结构适用范围及优缺点电路优点缺点功率适用范围正激式结构简单，成本可控，可靠性高需要附加磁复位电路小功率反激式电路少，成本消耗低可靠性高输岀纹波电压较大小功率推挽式通态损耗较少，驱动简单容易岀现偏磁问题，对开关管耐压要求高中小功率半桥式无变压器偏磁问题，功率开关器件较少容易出现偏磁、启动饱和及直通等问题中小功率全桥式变压器利用率高，适用于功率要求较大场合功率开关器件较多，成本较高中大功率1.3电源软开关技术灵活的开关技术有助于减少交换丢失，并提高与硬开关相比的电源效率。所谓硬开关是指电源开关管两端的电压和电流在打开或关闭过程中发生变化，从而产生噪音和损耗。硬开关的开、关过程如下所示，如图1.8所示，开关管两端存在一定大小的电流以及电压，导致功率损失，开关损耗和开关频率的高低是呈正相关的，所以硬开关会对开关电源效率产生一定的影响，并且也是开关使用时间减少的主要原因。图1.8硬开关的开通和关断过程图软开关技术的开、关过程如图1.9所示，可以看出开关管两端开、关时电压为零，或开关通电流为零。在此过程中没有开关丢失或噪音。软开关技术主要是在开关过程中使用电容和电感谐振过程，电容电压较为稳定，从而当今开关电源呈高频