基于降壓型PWM的DC-DC轉換器的控制方案

開關電源中應用的電力電子器件主要為二極管、IGBT和MOSFET。一般由脈沖寬度調制(PWM)控制IC和MOSFET構成。開關電源電路主要由整流濾波電路、DC-DC控制器(內含變壓器)、開關占空比控制器以及取樣比較電路等模塊組成。

PWM技術簡介[1]

脈沖寬度調制(PWM)，是英文“Pulse Width Modulation”的縮寫，簡稱脈寬調制，脈沖寬度調制是一種模擬控制方式，其根據(jù)相應載荷的變化來調制晶體管柵極或基極的偏置，來實現(xiàn)開關穩(wěn)壓電源輸出晶體管或晶體管導通時間的改變，這種方式能使電源的輸出電壓在工作條件變化時保持恒定，是利用微處理器的數(shù)字輸出來對模擬電路進行控制的一種非常有效的技術。廣泛應用在從測量、通信到功率控制與變換的許多領域中。

脈沖寬度調制(PWM)基于采樣控制理論中的一個重要結論，即沖量相等而形狀不同的窄脈沖加在具有慣性的環(huán)節(jié)上時，其效果基本相同。在控制時對半導體開關器件的導通和關斷進行控制,使輸出端得到一系列幅值相等而寬度不相等的脈沖,用這些脈沖來代替正弦波或其他所需要的波形.按一定的規(guī)則對各脈沖的寬度進行調制,既可改變逆變電路輸出電壓的大小,也可改變輸出頻率.PWM運用于開關電源控制時首先保持主電路開關元件的恒定工作周期(T=ton+toff)，再由輸出信號與基準信號的差值來控制閉環(huán)反饋，以調節(jié)導通時間ton，最終控制輸出電壓(或電流)的穩(wěn)定。

PWM的一個優(yōu)點是從處理器到被控系統(tǒng)信號都是數(shù)字形式的，無需進行數(shù)模轉換。讓信號保持為數(shù)字形式可將噪聲影響降到最小。噪聲只有在強到足以將邏輯1改變?yōu)檫壿?或將邏輯0改變?yōu)檫壿?時，也才能對數(shù)字信號產生影響。

對噪聲抵抗能力的增強是PWM相對于模擬控制的另外一個優(yōu)點，而且這也是在某些時候將PWM用于通信的主要原因。從模擬信號轉向PWM可以極大地延長通信距離。在接收端，通過適當?shù)腞C或LC網絡可以濾除調制高頻方波并將信號還原為模擬形式。降壓型DC-DC開關電源原理簡介[2]

將一種直流電壓變換成另一種固定的或可調的直流電壓的過程稱為DC-DC交換完成這一變幻的電路稱為DC-DC轉換器。根據(jù)輸入電路與輸出電路的關系，DC-DC 轉換器可分為非隔離式DC-DC轉換器和隔離式DC-DC轉換器。降壓型DC-DC 開關電源屬于非隔離式的。

降壓型DC-DC轉換器主電路圖如下：

其中，功率IGBT為開關調整元件，它的導通與關斷由控制電路決定;L和C為濾波元件。驅動VT導通時，負載電壓Uo=Uin，負載電流Io按指數(shù)上升;控制VT關斷時，二極管VD可保持輸出電流連續(xù)，所以通常稱為續(xù)流二極管。負載電流經二極管VD續(xù)流，負載電壓Uo近似為零，負載電流呈指數(shù)曲線下降。為了使負載電流連續(xù)且脈動小，通常串聯(lián)L值較大的電感。至一個周期T結束，在驅動VT導通，重復上一周期過程。當電路工作于穩(wěn)態(tài)時，負載電流在一個周期的初值和終值相等。負載電壓的平均值為

式中，ton為VT處于導通的時間，toff為VT處于關斷的時間;T為開關管控制信號的周期，即ton+toff;α為開關管導通時間與控制信號周期之比，通常稱為控制信號的占空比。從該式可以看出，，占空比最大為1，若減小占空比，該電路輸出電壓總是低于輸入電壓，因此將其稱為降壓型DC-DC轉換器。負載電流的平均值為

若負載中電感值較小，則在VT管斷后，負載電流會在一個周期內衰減為零，出現(xiàn)負載電流斷續(xù)的情況。因此有降壓DC-DC開關電源有非連續(xù)電流模式(DCM)和連續(xù)電流模式(CCM)兩種工作模式。波形圖如下所示：

1開關電源的發(fā)展簡介[3]

能源在每個國家中的地位都是舉足輕重，關乎興衰的，所以如何開發(fā)并合理利用能源是一個重要的課題。特別對于我國這樣的能源消耗大國和貧乏國，更是如此。我國、美國和俄羅斯等大國始終把能源技術列為國家關鍵性的科技領域。能源技術的其中一個重要方面就是電力電子技術，這是一門結合了微電子學、電機學、控制理論等多種學科的交叉性邊沿學科，它利用功率半導體器件對電網功率、電流、電壓