直流开关电源技术及应用

1. 开关电源概论

1.1 开关电源稳压原理

为了提高效率，必须使功率调整器件处于开关工作状态。
作为开关而言，导通时压降很小，几乎不消耗能量，关断时漏电流很小，也几乎不消耗能量，所以开关稳压电源的功率转换效率可达80%以上。

1.1.1 开关电源稳压原理

在开关S导通期间，输入电源$U_i$通过开关S和电感L滤波电路提供给负载$R_L$。

• 在整个开通卡紧，电源$U_i$向负载提供能量，同时电感L储存能量。

当开关S断开时，储存在电感L中的能量通过二极管VD释放给负载，使负载得到连续而稳定的能量。

在滤波电路AB间得到的电压平均值$U_{AB}$可用以下式表示：
$$U_{AB}=\frac{t_{ON}}{T}{U}_i$$
式中，$t_{ON}$为开关每次接通的时间，T为开关通断的工作周期。

开关稳压电源的基本原理是通过控制开关管的导通与截止时间，将输入电压转换为高频脉冲电压，再经过变换、整流、滤波等环节，得到稳定的直流输出电压，其具体原理如下：

核心组成部分及其作用

• 开关管：是开关稳压电源的核心控制元件，通常采用晶体管、功率场效应管、绝缘栅双极型晶体管等半导体器件。它的主要作用是在控制电路的作用下，快速地导通和截止，从而控制输入电压的通断，以实现将输入电压转换为脉冲信号的功能.
• 储能电感：在开关管导通期间，输入电压向储能电感充电，电感储存能量；在开关管截止期间，储能电感释放能量，为负载提供持续的电流，起到平滑电流、稳定输出电压的作用.
• 滤波电容：主要用于滤除输出电压中的高频纹波成分，使输出电压更加平滑稳定，为负载提供纯净的直流电压.
• 续流二极管：在开关管截止时，为储能电感提供电流通路，使电感中的电流能够继续流动，维持负载电流的连续性，防止电感产生过高的反向电动势损坏其他元件.
• 控制电路：负责监测输出电压，并与基准电压进行比较，根据比较结果产生控制信号，调节开关管的导通与截止时间，从而实现对输出电压的稳定控制。常见的控制方式有脉冲宽度调制（PWM）、脉冲频率调制（PFM）以及 PWM 与 PFM 混合式等.

工作过程

• 开关管导通期间：开关管饱和导通，输入电压加在储能电感两端，电流通过开关管流入电感，电感中的电流线性增加，储存磁场能，此时续流二极管截止，储能电容向负载提供能量，维持负载电压的稳定.
• 开关管截止期间：开关管迅速截止，电感中的电流不能突变，根据楞次定律，电感会产生一个上负下正的自感电动势，该电动势使续流二极管导通，电感中的电流通过续流二极管流向负载，同时也对储能电容进行充电，为负载提供持续的电流，使负载两端的电压保持稳定.

稳压原理

通过控制电路不断地监测输出电压，并与设定的基准电压进行比较，根据两者的差值来调整开关管的导通时间或截止时间，从而改变输出脉冲的占空比，以达到稳定输出电压的目的.

• 脉冲宽度调制（PWM）：在 PWM 控制方式中，保持开关频率不变，通过改变脉冲宽度来调整占空比。当输出电压低于基准电压时，控制电路增加开关管的导通时间，即增大脉冲宽度，使电感储存更多的能量，从而提高输出电压；反之，当输出电压高于基准电压时，减小开关管的导通时间，即减小脉冲宽度，使电感释放的能量减少，降低输出电压，以此实现输出电压的稳定.
• 脉冲频率调制（PFM）：PFM 则是保持脉冲宽度不变，通过改变开关频率来调整占空比。当输出电压下降时，控制电路降低开关频率，使开关管在单位时间内的导通次数增加，从而增加电感的充电时间，提高输出电压；当输出电压上升时，提高开关频率，减少开关管的导通次数，降低输出电压.

1.2 PWM控制模式

1.2.1 电压型PWM控制

电压型 PWM（脉冲宽度调制）的基本原理如下：

• 核心思想：通过控制半导体开关器件的周期性通断，将直流电压转换为一系列宽度可调的脉冲电压信号，以实现对输出电压的控制。这些脉冲电压信号的平均值与占空比成正比，从而通过改变占空比来调节输出电压的大小.
• 具体实现过程：
  • 产生PWM信号：通常使用一个固定频率的载波信号（一般为三角波或锯齿波）与一个调制信号（通常为直流或低频的参考电压信号）进行比较。当调制信号大于载波信号时，PWM 发生器输出高电平；反之，输出低电平。这样就产生了一个脉冲宽度随调制信号变化的 PWM 信号，其频率与载波信号的频率相同.
  • 控制开关器件：将产生的 PWM 信号施加到电压型 PWM 电路中的开关器件（如 IGBT、MOSFET 等）的控制端，以控制开关器件的导通和关断。当 PWM 信号为高电平时，开关器件导通，直流电源电压施加到负载两端；当 PWM 信号为低电平时，开关器件关断，负载两端电压为零。通过这种方式，负载两端得到的是一系列幅值等于直流电源电压、宽度由 PWM 信号占空比决定的脉冲电压.
  • 调节输出电压：占空比是指 PWM 信号中高电平持续时间与整个周期时间的比值。改变占空比即可改变脉冲电压的平均值，从而实现对输出电压的调节。例如，当占空比增大时，高电平持续时间变长，脉冲电压的平均值增加，输出电压升高；反之，当占空比减小时，输出电压降低.
• 关键参数及作用 ：
  • 占空比：如前文所述，其直接决定了输出电压的大小，是电压型 PWM 控制中最关键的参数之一。
  • 开关频率：即 PWM 信号的频率，它影响着输出电压的频谱特性和系统的动态响应性能。较高的开关频率可以使输出电压的纹波更小、谐波含量更低，但同时也会增加开关器件的开关损耗；较低的开关频率则可能导致输出电压纹波较大、谐波失真较严重，但开关损耗相对较小。
  • 将电压误差放大器采样放大的慢变化直流信号$U_s$与恒定频率的三角波电压U_s相比较。
• 优势及应用：
  • 优势：电压型 PWM 控制具有较高的控制精度和灵活性，能够实现对输出电压的快速、精确调节；可以有效降低输出电压的谐波含量，提高电能质量；并且在直流-交流变换、交流-直流变换等各种电力电子变换领域中具有广泛的适用性.
  • 应用：常见于变频调速系统、不间断电源（UPS）、开关电源、电机驱动控制等众多需要精确电压控制和高效电能转换的场合 。

调制法就是把希望输出的波形作为调制信号，把接收调制的信号作为载波，通过信号波的调制得到所期望的pwm波形。

通常采用等腰三角波或者是锯齿波作为载波，其中等腰三角波应用比较多。

• 等腰三角波上任意一点的水平宽度和高度呈线性关系，而且左右对称当它与任何一个平缓变化的调制信号波相交时，如果在交点时刻对电路中开关器件的通断进行控制，就可以得到宽度正比于信号波幅值的脉冲刚好符合pwm控制的要求。
  • 调试信号为正弦波时所得到的就是spwm波形。这种情况的应用也最为广泛。
  • 当调制信号不是正弦波时，而是需要其他的波形，也能得到与之等效的pwm波。

上图采用的是IGBT作为开关器件的单向桥式pwm逆变电路。假设负载为阻性负载，工作时v1和v2的通断状态互补，v3和v4的通断状态互补。具体的控制规则如下：

• 在输出电压$u_o$的正半周，让v1保持通，让v2保持断，v3和v3的交替通断。
• 由于负载电流比电压滞后，因此在电压正半周,电流有一段区间为正，有一段区间为负。
• 在负载电流为正的区间， V1和v4导通时，负载电压u0等于直流电压ud。
• 在v4关断时，负载电流经过v1和VD3续流，$u_o=0$.
• 在负载电流为负的区间，仍为v1和v4导通时，由于负载电流为负值，因此io实际上是从vD1和vD4流过，此时仍然有u0=ud。
• 当v4关断而v3开通之后，io从v3和vD1续流，此时uo=0。
• 至此，uo总可以得到ud和o两种电平。
• 同样，在uo的负半周让v2保持通态，v1保持断态，v3和v4交替通断，负载电压uo可以得到负的Ud和0两种电平。

Pwm波用于控制v3和v4的通断。

• 在Ur的正半周，v1保持通态，v2保持断态。当Ur>Uc时，使v4导通v3关断。Uo=ud.
• 当Ur<uc时使v4关断，v3导通，u0=0。
  图7-5中，Uof表示Uo的基波分量。像这种在Ur(期望电压)的半个周期内三角载波只在正极性或负极性一种极性范围内变化所得到的pwm波形也只在单个极性范围内变化的控制方式称为单极性pwm控制方式。

为什么在单向桥式pwm逆变电路中输出电流要比电压滞后
在单向桥式 PWM 逆变电路中，输出电流比电压滞后的原因主要有以下几点：

• 电感元件的存在：电路中的负载通常包含电感成分，如电动机等感性负载。电感具有阻碍电流变化的特性，当电压发生变化时，电感会产生自感电动势来阻碍电流的快速变化，导致电流不能立即跟随电压的变化而变化，从而出现电流滞后于电压的现象。例如，当电压突然升高时，电感会阻止电流的迅速增大，使得电流的上升速度变慢，滞后于电压的上升；当电压降低时，电感又会阻碍电流的减小，使电流下降延迟，同样滞后于电压的下降。
• PWM 控制方式的影响：在 PWM 逆变电路中，开关器件的通断是按照一定的 PWM 信号来控制的。当开关器件导通时，电源向负载提供能量，电流开始上升；而当开关器件关断时，电流并不会立即变为零，而是通过电感等储能元件继续流动，形成续流回路。这种开关动作的间歇性以及续流过程，使得电流的变化相对电压存在一定的延迟。比如，在一个 PWM 周期内，电压可能已经根据 PWM 信号快速变化了，但电流由于续流等原因，还在维持之前的状态或缓慢变化，导致电流滞后于电压。
• 滤波环节的影响：为了得到较为平滑的输出电压和电流，单向桥式 PWM 逆变电路通常会在输出端加入滤波电路，一般为 LC 滤波器等。滤波电容和电感的组合会对电流和电压的相位产生影响，进一步导致电流滞后于电压 。电容在充放电过程中，电流的相位会超前电压 90°，而电感则会使电流滞后电压 90°，在滤波电路中两者共同作用，使得输出电流整体滞后于输出电压。

和单极性pwm控制方式相对应的就是双极性控制方式。

采用双极性控制时，在Ur的半个周期内三角波载波不再是单极性的，而是有正有负，所得到的pwm波也是又正又负。

在Ur的一个周期内输出的pwm波只有正负Ud两种电平，而不像单极性控制时还有零电平。

控制规则如下：

• 当Ur>Uc时给v1和v4以导通信号，给v2和v3以关断信号。
• 这个时候，如果Iout>0，则v1和v4通，如果I out<0则vD1和vd4导通。
• 不管哪种情况都是输出电压u out=ud。
• 当Ur<Uc时给v2和v3导通信号，给v1和v4以关断信号。
• 这个时候，如果I out<零则v2和v3导通。如果I out>0则vd2和vd3导通。
• 不管哪种情况，都是Uout=-Ud。