一種多功能輸出開關電源的設計

摘 要：本文設計了一種多功能輸出開關電源，并論述了其主電路設計思路、基本控制策略以及如何實現(xiàn)多功能輸出，同時分析了電源輸出過程中可能出現(xiàn)的問題和解決方案。

關鍵詞：多功能輸出；開關電源；調(diào)制比；逆變器

中圖分類號：TN86 文獻標識碼：A 文章編號：2096-4706（2018）03-0034-03

Design of A Multifunction Output Switching Power Supply

DENG Xiaochu

（Hubei Polytechnic Institute，Xiaogan 432000，China）

Abstract：In this paper，a multi-function output switching power supply is designed. The mail circuit design idea，basic control strategy and how to realize multifunction output are discussed，and the possible problems and solutions in power output are analyzed.

Keywords：multifunctional output；switch power supply；modulation ratio；inverter

0 引 言

隨著電力電子技術的不斷發(fā)展，高頻開關電源以其高效率、高性能、低重量和小體積的特點，在以往使用線性電源的場合中也得到了日益廣泛的應用。在一些需要提供調(diào)節(jié)范圍廣、紋波低的交直流電壓和電流的工業(yè)場合迫切需要一種多功能、寬輸出的開關電源，用以替代多臺單一功能電源的傳統(tǒng)模式。多功能、寬輸出的開關電源不但體積小、重量輕，而且經(jīng)濟實用，工作穩(wěn)定性也可以得到保證。

本文采用開關電源技術和數(shù)字控制方法設計了一種交直流多功能輸出電源。本電源系統(tǒng)輸出范圍寬，其中電壓源輸出范圍為1～250V，電流源輸出范圍為1～30A，工作頻率在0～400Hz。

1 主電路設計

電源系統(tǒng)主電路如圖1所示。OUT1端和OUT2端分別為電壓源輸出端和電流源輸出端。主電路均采用兩級結(jié)構實現(xiàn)電壓源和電流源的功能。為了穩(wěn)定直流母線電壓并有效隔離輸入級和輸出級，直流電源轉(zhuǎn)換級采用半橋電路。為了能用于大功率場合，逆變電源部分采用常見的全橋逆變電路。輸出端的高頻紋波采用兩級LC濾波器濾除。共模抑制器Lc1的作用是隔離電源前后級之間的干擾，Lc2和Lc3的作用是抑制負載上通過的高頻共模分量。

2 具體控制原理

具體控制原理如圖2所示。采用SG3525芯片實現(xiàn)DC/DC級的控制。電路采用了電壓、電流雙環(huán)控制消除輸出諧波。采用專用驅(qū)動芯片IR2110組成驅(qū)動電路，兩路SPWM信號分別驅(qū)動四個開關管。反饋電壓Vf和反饋電流If的幅值是受限制的，一旦反饋電壓或反饋電流大于閾值，保護電路就會關閉驅(qū)動信號。兩路SPWM信號之間的死區(qū)設定目的是防止上下橋臂互通。

圖2 具體控制原理圖

3 多功能輸出

電源系統(tǒng)采用同一控制電路，利用繼電器切換到電壓源模式和電流源模式。

電源系統(tǒng)工作在電壓源模式時，繼電器K1閉合，繼電器K2斷開。如果輸入基準信號為交流正弦信號，則輸出交流電壓信號；如果輸入基準信號為直流電平，則輸出直流電壓信號。

電源系統(tǒng)工作在電流源模式時，繼電器K1斷開，繼電器K2閉合，此時電壓調(diào)節(jié)環(huán)起跟隨器的作用。如果輸入基準信號為交流正弦信號，則輸出交流電流信號；當輸入基準信號為直流電平，則輸出直流電流信號。

繼電器K3的作用是切換電壓源驅(qū)動信號和電流源驅(qū)動信號。在電壓源工作模式時負責斷開電流源的前級，在電流源工作模式時負責斷開電壓源的前級，避免互相干擾。

4 輸出中可能出現(xiàn)的問題及解決方案

4.1 PI調(diào)節(jié)器輸出限幅

為防止控制電路出現(xiàn)過調(diào)制的情況，同時限制SPWM信號的最大和最小占空比，提高工作可靠性，可以在PI調(diào)節(jié)器A2的輸出端增加二極管限幅電路。

4.2 消除輸出電壓削頂現(xiàn)象

三角波不對稱在與PI調(diào)節(jié)器輸出信號進行比較時會出現(xiàn)單邊削頂現(xiàn)象。要消除這種現(xiàn)象，就是要確保三角波的對稱性。一是選用低偏壓、低噪聲的精密運算放大器，二是采用糾偏消除直流偏置，以確保三角波的對稱性。

5 電流源母線電容的選取

逆變器輸入電流會產(chǎn)交流分量和高頻分量。如果這些高頻分量過大，需要母線提供很大的高頻紋波電流。為了滿足后級高頻紋波電流要求以及減小后級高頻分量對前級的影響，選取電流源母線電容時，要求電解電容要盡量大，而且性能要優(yōu)越。

6 電路實驗波形

6.1 電壓源工作模式

電壓源工作模式滿載輸出時的波形如圖3所示，其中輸出交流電壓的有效值設定為200V。波形總諧波失真率小于2%。

6.2 電流源工作模式

電流源工作模式滿載輸出時的波形如圖4所示，其中輸出交流電流的有效值設定為30A。波形總諧波失真率小于1%。

7 結(jié) 論

本文設計了一種多功能寬范圍輸出開關電源，并論述了其主電路基本結(jié)構、基本控制原理和如何實現(xiàn)多功能輸出。還對電源輸出過程中可能出現(xiàn)的問題進行了充分預計，并提出相應的解決方案，最后通過試驗驗證了以上設計。

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作者簡介：鄧小楚（1980-），男，湖北武漢人，講師，碩士研究生。研究方向：電氣控制技術。