电源硬件设计----电源基础知识

Posted 2022-09-12 鲁棒最小二乘支持向量机

变压器磁通的复位

辅助绕组复位

变压器磁通复位 = = 磁能的泄放 = = 激磁电感续流
如图所示，开关闭合，输入电压给变压器激磁电感励磁，建立磁通；开关关断，激磁电感电流无处释放，因此磁芯无法复位。

• 理想变压器知识传递磁能，本身并不储存磁能，激磁电感无限大
• 实际变压器存在激磁电感
• 绕组换流时，由于存在漏感，开关电压尖峰
• 复位磁能返回电源

RCD钳位电路复位(正激变换器)

电路如图所示，RCD复位电容电压相当于一个小反激电路输出

• RCD钳位电路具有磁复位的功能
• 可钳位原边绕组及开关电压
• 变压器复位磁通能由电阻Rr消耗

RCD钳位电路复位(反激变换器)

反激电路理论上可以实现自身复位，通过副边输出电压进行复位，因此不需要磁复位电路。但是变压器存在漏感，漏感电流同样需要泄放，否则引起电压尖峰

• 反激电路中的RCD电路用于变压器漏感磁通的复位
• 复位磁能由复位电阻消耗

谐波与功率因数校正技术

谐波

电子领域：由非线性器件引起波形失真
电工领域：由负载阻抗引起相位偏移

• 输出电容C越大，输出电压越稳定，但电流脉冲越窄，THD越大
• 同样负载功率下，电流脉冲越窄，电流峰值越大，造成损耗越大
• 电流波形失真会通过电网阻抗影响电源质量

PFC(功率因数校正)基本原理

功率因数校正的目的：使得输入电流与输入电压波形相同，即使得电流能跟踪电压的波形变化
由于输入电压为正弦交流，大小在0-Vm之间变化，因此首先需要选择升压(Boost)电路，且Vo>Vm

• Boost电路CCM工作模式：固定频率Ts，改变占空比D，控制电感电流平均值跟随正弦电压。电感大，电流纹波小，控制复杂，二极管反向恢复。
• Boost电路DCM工作模式：固定频率Ts和导通时间ton，改变断续时间。因为ton固定，电感电流自动上升至与电感电压成比例的值，之后下降到零，保证电感电流平均值与电压成比例。电感小，电流纹波最大，控制简单，没有二极管反向恢复。
• Boost电路CRM工作模式：固定导通时间ton，电感电流自动上升至与电感电压成比例；之后电流下降为零时，开关管闭合。电感小，电流纹波大，开关管电流过零时导通，二极管过零时关断，频率变化。

开关电源基本控制策略

控制的目的

控制目的：

• 保持输出稳定。 由于电源电压和负载的变化，输出电压会随之变化，因此需要对输出电压进行控制，以保证输出电压的稳定或获得所需的输出电压
• 实现某种特定功能。 如DC/DC电源的PFC控制，太阳能逆变器的MPPT控制

控制的要求：

• 输出稳定
• 在各种 “干扰”情况下不能失控
• 对输出波动的影响小
• 对干扰的快速响应

被控制量： 输出电压，或输出电流，或输入电流，或输入阻抗
控制量： 开关的动作

滞环控制(Bang-Bang)

• 只需要一个简单的电压比较器，成本低
• 控制策略十分简单，预制驱动，不需要反馈
• 稳定性强，只要不超过环宽
• 开关工作频率是变化的，环宽越窄，频率越高；负载变化越快，频率越高
• 控制策略本身需要一定的输出电压纹波
• 由于难以帮助电感电压的伏秒平衡，需要额外电路
• 具有过流保护功能

恒定导通时间控制

• 控制简单，阈值驱动，本身稳定
• 电路简单，成本低
• 通过设定最小关断时间，保证电感复位
• 频率是变化的
• 控制策略本身需要一定的输出电压纹波
• 本身没有过流保护功能，因为没有检测电流峰值

电压控制模式

直接调节占空比D，控制输出电压Vo=D*Vi

电路实现：

• 采用误差放大器产生误差信号
• 采用振荡器产生给定频率脉冲
• 通过RC充放电电路产生给定斜波电压
• 通过比较器将被控量与锯齿波比较
• 产生PWM波控制开关占空比

特点：

• 电压控制是最传统的PWM控制
• 开关频率固定
• 简单的反馈补偿网络以实现精确控制，没有滞环本身误差
• 可能存在控制稳定性问题
• 如负载较轻，从CCM(线性模型)进入DCM(非线性模型)时存在稳定性问题

电压控制模式(峰值控制)

电路实现：

• 电感电流波形(纹波与平均值)与输入电压、输出电压以及占空比有关
• 采用误差放大器产生误差信号
• 将电压控制模式的斜波参考电压改为电感电流信号
• 开关峰值电流可以表征输出电流平均值

特点：

• 频率固定
• 电感电流随着输入电压增加而增加，因此对输入电压的变化响应是瞬时的
• 对负载的变化，要通过电感电流起作用，有延迟

平均电流控制

电路实现：

• 采用误差放大器产生电压误差信号
• 采用振荡器产生给定频率脉冲
• 将电压误差信号与电感电流信号比较后，再与给定PWM斜波电压比较

特点：

• 直接检测和由平均电流来控制，效果好
• 需要检测电感完整波形，检测复杂，不如峰值电流检测灵活方便
• 由于有“平均”环节，抗噪声能力强
• 需要高增益放大器，成本高

电源输出的稳定与调整率

电源稳定性的要求

控制的目的： 提供一个不受干扰的稳定和精确的电源输出
实现思路： 通过一个高增益控制系统来保证输出电压跟随参考电压
稳定问题： 对于高增益，很小的误差信号可能调整很大的输出电压，即很“灵敏”，当系统是稳定时，将迫使误差为零，即输出电压很稳定。但是对高增益的闭环反馈系统，系统的控制精度与系统稳定性是一个挑战，因为高增益意味着对微小的扰动都会做出反应
干扰信号特性：

• 强弱：一般为微小信号，信号越大，说明干扰越强
• 快慢：任何一个干扰信息可以通过FFT分解为不同频率的各次谐波的合成，频率越高，说明干扰越快

稳定性指标： 经过控制系统的反应后，干扰会发生变化

• 大小变化：增益
• 相位变化：相移

电源的调整率

负载调整率： 电源负载的变化会引起电源输出的变化，负载增加，输出电压会降低，相反负载减少，输出电压升高。好的电源负载变化引起的输出变化减到最低，通常指标为3%~5%。负载调整率实际上就反应了电源的内阻抗，好的电源输出接负载时电压降小。负载调整率=(满载时输出电压-半载时输出电压)/额定负载时输出电压。
电源调整率： 定义为电源供应器输入电压变化时提供其稳定输出电压的能力。电源调整率通常以一正常规定负载下，由输入电压变化所造成其输出电压偏差的百分比，即(Vo(最大)-Vo(最小))/Vo(正常)。

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