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    摘要：本文介紹了開關(guān)電源的基本原理，以及變頻器里開關(guān)電源的特點(diǎn)。比較詳細(xì)地分析了作為開關(guān)電源里核心部件的集成振蕩心片的結(jié)構(gòu)和原理。最后介紹了一個(gè)在變頻器里具體應(yīng)用的實(shí)例。

   關(guān)鍵詞：開關(guān)電源；晶體管串聯(lián)穩(wěn)壓電源；脈沖變壓器；脈寬調(diào)制

   1 開關(guān)電源概述

   開關(guān)電源的全稱是高頻開關(guān)穩(wěn)壓電源，在變頻器里用于為控制電路提供電壓穩(wěn)定的直流電源。

    1.1 開關(guān)電源的工作特點(diǎn)和優(yōu)點(diǎn)

    所謂開關(guān)電源的工作特點(diǎn)和優(yōu)點(diǎn)，是相對于晶體管串聯(lián)穩(wěn)壓電源而言的。

    （1）晶體管串聯(lián)穩(wěn)壓電源

    如圖1(a)所示，其原理是：首先經(jīng)變壓器T1降壓，進(jìn)行全波整流并濾波后得到直流電壓UD1，又通過晶體管VT1調(diào)整后得到穩(wěn)定的輸出電壓UD2。其穩(wěn)壓過程是：令UD2與基準(zhǔn)電壓UR進(jìn)行比較并放大后所得信號(hào)，用于控制晶體管VT1的基極電流，從而調(diào)整了VT1的集電極電流和管壓降，使輸出電壓得以穩(wěn)定。

    這種方法的主要缺點(diǎn)是：

    ①因?yàn)樽儔浩鱐1需要鐵心，故體積大，重量重。

    ②晶體管VT1工作在放大狀態(tài)，故功耗大。
    
                   
                                   圖1 串聯(lián)式開關(guān)電源 

       （a）晶體管串聯(lián)穩(wěn)壓電源?。╞）串聯(lián)式開關(guān)穩(wěn)壓電

   （2）串聯(lián)式開關(guān)電源

    如圖1(b)所示，其工作特點(diǎn)是：

    ①晶體管VT2并不直接控制輸出電壓，而是控制脈沖變壓器一次側(cè)的平均電壓U1。

    ②一次側(cè)電壓U1的平均值取決于直流電壓UD1與脈沖占空比D的乘積：

    U₁＝KDU_D1 （1）

    式中，U₁—脈沖變壓器一次電壓的平均值，V；

   U_D1—輸入直流電壓，V；

   K—比例常數(shù)；D—脈沖的占空比，

    定義是：D＝ t_P / t_C（2）
   式中， t_P — 脈沖的寬度，μs；t_C — 脈沖周期，μs。

   ③穩(wěn)壓過程是：U_D2與U_R進(jìn)行比較后所得信號(hào)，用于調(diào)整PWM發(fā)生器的占空比，從而調(diào)整了U₁的平均值，使U_D2得以穩(wěn)定。

   開關(guān)電源的主要優(yōu)點(diǎn)是：

   （1）高頻脈沖變壓器的體積小，重量輕。

   （2）晶體管VT₂工作在開關(guān)狀態(tài)，故功耗小。

   1.2 脈沖變壓器的工作特點(diǎn)

   高頻脈沖變壓器是開關(guān)電源里的重要部件之一，其結(jié)構(gòu)如圖2(a)所示。高頻變壓器的磁路由高頻磁心構(gòu)成，非但導(dǎo)磁率高，且體積小，重量輕。

   顧名思義，脈沖變壓器傳遞的是脈沖信號(hào)，其工作特點(diǎn)如下：

   當(dāng)輸入的脈沖信號(hào)上升，一次繞組的磁通增加時(shí)，根據(jù)楞茨定律，二次繞組的感應(yīng)電流必阻礙磁通的增加，二次電流磁通的方向，和一次磁通穿過二次繞組的磁通方向相反，如圖2(b)的上方所示，由此判斷二次電壓的極性是上“＋”、下“－”；

   當(dāng)輸入的脈沖信號(hào)下降，一次繞組的磁通減少時(shí)，二次繞組的感應(yīng)電流必阻礙一次磁通的減少，二次電流磁通的方向，與一次磁通穿過二次繞組的磁通方向相同，如圖2(b)下方所示，由此判斷二次電壓的極性是上“－”、下“＋”。

    可見，盡管一次電壓是單極性的，如圖2(c)中之曲線①所示，但二次電壓卻是交變的，如圖2(c)中之曲線②所示。
  
             
                                      圖2 脈沖變壓器

            (a)脈沖變壓器　b）副方電動(dòng)勢　c）原、副方電壓

   2 變頻器里的開關(guān)電源

   2.1 一次電源

   變頻器里，向脈沖變壓器的一次繞組提供電源的方式主要有三種：

   （1）直流回路供電

   從變頻器內(nèi)部的直流回路向開關(guān)電源提供電源，如圖3(a)所示。

    （2）取直流電壓之半

   因?yàn)樽冾l器里直流電路的濾波電容通常都是由兩組電容器串聯(lián)而成的，所以，可以從兩組電容器的中間取出直流電壓，如圖3(b)所示。這種方法可以降低對開關(guān)電源的耐壓要求。
   
                    
                                   圖3 開關(guān)電源的輸入電源

                （a）取直流電源?。╞）取直流電源之半?。╟）獨(dú)立電源

   （3）單獨(dú)供電

   電源取自變頻器主接觸器KM之前，通過變壓器降壓后向開關(guān)電源供電，如圖3(c)所示。這種方式的開關(guān)電源比變頻器先得電，可以使控制電路事先做好準(zhǔn)備工作后再讓變頻器通電。

    2.2 二次繞組

   如圖4所示，除了W1是高壓的一次繞組外，其余都是低壓的二次繞組，它們的作用分別是：

   （1）自激電源

   如圖中之W₂，用于為PWM發(fā)生器提供自激勵(lì)電源。

   （2）5V電源 　

   如圖中之W₃，用于為CPU提供5V電源，是控制電路中對穩(wěn)壓要求最高的電源，所以采用π形濾波，穩(wěn)定電壓的采樣電壓也由此取出。就是說，控制電壓的是否穩(wěn)定，主要看5V電壓。

   （3）±15V電源

   如圖中之W4和W5，主要用于為變頻器的頻率給定電路提供電源。

   （4）24V電源

   ①為接收外接開關(guān)量信號(hào)的電路提供電源；

   ②為用戶提供24V電源，以便用作傳感器或低壓控制電路的電源。
  
                     
                                    圖4 變頻器開關(guān)電源的二次繞組

   （5）驅(qū)動(dòng)電源

   為IGBT的驅(qū)動(dòng)電路提供電源。驅(qū)動(dòng)電源又分兩種情況：

    ①上橋臂驅(qū)動(dòng)電源 變頻器中，逆變橋上橋臂的三個(gè)逆變管分別和輸出的U、V、W相聯(lián)接，如圖5中之①、②、③所示。故三個(gè)電源的二次繞組必須分開，互相間是絕緣的，如圖4中之W₇、W₈和W₉所示。

    ② 下橋臂驅(qū)動(dòng)電源 變頻器中逆變橋下橋臂的三個(gè)逆變管的發(fā)射極都和直流電路的負(fù)端N相接，如圖5中之④所示。故可以共用一個(gè)電源，變壓器的二次繞組如圖4中之W10所示。

    2.3 開關(guān)電源的穩(wěn)壓途徑

   （1）開關(guān)電源的輸入電壓

   許多變頻器里，開關(guān)電源的輸入電壓直接取自直流高壓UD，而直流高壓UD是很不穩(wěn)定的，如圖6(a)中之曲線①所示，原因如下：

   ①濾波效果差　因?yàn)樽冾l器的直流電路里只用了簡單的電容器濾波，濾波后的電壓紋波仍十分明顯。

   ②輸出負(fù)載變動(dòng)　電動(dòng)機(jī)的負(fù)載率是經(jīng)常變動(dòng)的，當(dāng)電動(dòng)機(jī)的負(fù)載率變動(dòng)時(shí)，直流電壓UD也將隨之波動(dòng)。

   ③過渡過程中的電壓波動(dòng)　例如，在電動(dòng)機(jī)加、減速的過程中，直流電壓有較大幅度的波動(dòng)。
  
                  
                                         圖5 變頻器的驅(qū)動(dòng)電源

   （2）穩(wěn)壓途徑

   首先，把輸入電壓經(jīng)脈寬調(diào)制后，得到如圖6(a)中曲線②所示的脈沖系列，其平均值為U₁。

   由式(1)知，當(dāng)U_D2變動(dòng)時(shí)，通過改變脈沖系列的占空比D，可以使U₁的平均值保持不變。具體地說，則：

   當(dāng)U_D2偏低時(shí)，加大占空比D；而當(dāng)U_D2偏高時(shí)，減小占空比D，如圖6(b)所示。
         
                     
                                                  圖6 開關(guān)電源的穩(wěn)壓

                                   （a）穩(wěn)壓框圖?。╞）穩(wěn)壓原理

   為此，開關(guān)器件大多采用能夠以很高頻率進(jìn)行通、斷控制的電力MOSFET管，如圖6(a)所示。晶體管VT由一個(gè)PWM發(fā)生器來控制。因?yàn)樽罱K要求輸出的直流電壓UD2穩(wěn)定，所以，判斷電壓是否偏離基準(zhǔn)值的信號(hào)，從輸出側(cè)取出，并以此來調(diào)整PWM發(fā)生器的脈沖占空比。

   2.4 脈沖變壓器的一次側(cè)電路

   脈沖變壓器的一次側(cè)電路如圖7(a)所示，當(dāng)晶體管VT導(dǎo)通，一次電壓u ₁上升時(shí)，因?yàn)樽儔浩鞯囊淮卫@組是個(gè)大電感，所以電流i₁是按指數(shù)規(guī)律上升的，如圖7(b)中的曲線②所示，源極電阻R_S上的電壓降u _S也按指數(shù)規(guī)律上升。由于電流的增大，使二次繞組里的感應(yīng)電動(dòng)勢e₂為“＋”（上“＋”下“－”）；
                     
                                   圖7 脈沖變壓器的一次電路 

                     （a）脈沖變壓器電路?。╞）各參數(shù)波形


    當(dāng)晶體管VT截止，一次電壓u ₁下降時(shí)，變壓器一次繞組的電流i₁不能立即消失，而是通過二極管VD續(xù)流，向電容器C充電，所以電流按指數(shù)規(guī)律下降。但這時(shí)，VT的源極電流等于0，源極電阻R S上的電壓降u S也降為0，所以，u S是鋸齒波，如圖7(b)中之曲線④所示。在電流i₁減小的過程中，二次繞組里的感應(yīng)電動(dòng)勢e₂為“－”（上“－”下“＋”）。所以，二次繞組里感應(yīng)電動(dòng)勢的波形如圖7(b)的曲線③所示。
  
    3 開關(guān)電源的振蕩心片

   現(xiàn)在的變頻器里，分立元件的開關(guān)電源已很少見，大多采用由集成電路振蕩芯片來調(diào)整脈沖序列的占空比。
  
                    
                      圖8   振蕩芯片各管腳的功能

   3.1 振蕩芯片的管腳功能

   以變頻器里用得較多的3844振蕩芯片為例，如圖8所示，各管腳的功能如下：

   ⑦腳和⑤腳：輸入電源端子，最大輸入電壓為30V，通常為20V左右；

   ⑧腳：輸出5V基準(zhǔn)電壓，其溫度穩(wěn)定性好，常用來為反饋網(wǎng)絡(luò)和R、C振蕩回路提供穩(wěn)定的電源。

   ④腳：芯片內(nèi)部振蕩器的輸入端，用于產(chǎn)生決定脈沖周期的時(shí)鐘脈沖。可通過外接的阻容電路和內(nèi)部的振蕩電路配合，調(diào)整振蕩頻率。
  
                     
                                   圖9 振蕩芯片的供電

   ②腳：電壓反饋信號(hào)的輸入端，其輸入信號(hào)的大小將調(diào)整PWM的占空比。

   ③腳：電流反饋信號(hào)的輸入端，用以輸入一次繞組的電流信號(hào)和進(jìn)行過電流保護(hù)。

   ①腳：誤差信號(hào)輸出端，用于和外部的阻容反饋網(wǎng)絡(luò)相配合，以調(diào)整內(nèi)部放大器的放大倍數(shù)，和改善動(dòng)態(tài)響應(yīng)。

   ⑥腳：PWM脈沖序列的輸出端，用于驅(qū)動(dòng)開關(guān)管的控制極。

   3.2 振蕩心片的激勵(lì)與自供電

   變頻器接通電源后，直流電壓U_D由R ₁和R ₂降壓后，在穩(wěn)壓管VS₁上得到比較穩(wěn)定的低壓，開始向電容器C₁充電，如圖9所示。C₁上的電壓施加于振蕩心片PC₁的⑦腳和⑤腳之間，當(dāng)C₁充電到一定程度時(shí)，PC₁被激勵(lì)而開始振蕩。⑥腳開始有脈沖輸出，并驅(qū)動(dòng)晶體管VT的柵極，VT開始導(dǎo)通，脈沖變壓器的一次繞組W1得到脈沖電流。

   一次繞組W₁中的脈沖電流迅速上升，二次繞組W₂產(chǎn)生上‘＋’下‘－’的感應(yīng)電動(dòng)勢E₂，E₂經(jīng)二極管VD₂整流后向⑦腳供電。通常，振蕩芯片從直流電路吸收的激勵(lì)電流只有1mA，而正常工作時(shí)吸收的電流約為15 mA。就是說，當(dāng)芯片振蕩起來后，心片的電源主要由W₂自己提供，W₂稱為自供電繞組。

    3.3 脈沖周期的決定

    芯片內(nèi)部的振蕩器是用來產(chǎn)生時(shí)鐘脈沖的，時(shí)鐘脈沖的周期就是PWM的脈沖周期t_C。t_C的大小由外電路的R₃和C2決定，如圖10所示。
       
                        
                                  圖10   振蕩器電路


    時(shí)鐘脈沖的寬度t_D稱為死區(qū)，t_D的最佳值約為振蕩周期t_C的15%。有關(guān)資料表明，t_D主要取決于C₂的大小。

    3.4 電壓反饋和誤差信號(hào)

   芯片內(nèi)部有一個(gè)誤差放大器A₁，如圖11所示，其正相輸入端輸入的是一個(gè)基準(zhǔn)電壓，它取決于內(nèi)部的基準(zhǔn)電源經(jīng)R ₀₁和R ₀₂的分壓，通常為2.5V，反相輸入端得到的是從②腳輸入的電壓反饋信號(hào)。

   ②腳輸入的電壓反饋信號(hào)和內(nèi)部的基準(zhǔn)信號(hào)相比較，得到‘誤差信號(hào)’，外部的R ₇、C₄電路，實(shí)際上是跨接在放大器的輸出端和反相輸入端之間的，R ₇用來改變A₁的放大倍數(shù)，C₄則用來吸收干擾信號(hào)，兩者的接入，可以改善A₁的動(dòng)態(tài)響應(yīng)。所以，振蕩芯片的①腳并不是向外電路提供誤差信號(hào)，而是為了和外電路的R₇、C₄配接而設(shè)置的。
 
                  
                                  圖11    誤差信號(hào)

    3.5 PWM鎖存器

   鎖存器實(shí)際上是一個(gè)具有鎖存功能的R －S觸發(fā)器，在這里，鎖存功能表現(xiàn)為：在一個(gè)周期里，觸發(fā)器只能翻轉(zhuǎn)一次。

    （1）鎖存器的置位

   如圖12(a)，鎖存器的S端輸入的是由振蕩器產(chǎn)生的時(shí)鐘脈沖，如圖12(b)中之曲線①所示。所以，當(dāng)每次時(shí)鐘脈沖為高電平時(shí)，R －S觸發(fā)器的Q端就被置位，輸出高電平（Q 端為低電平）。

   （2）鎖存器的復(fù)位

   圖12(a)中，又有一個(gè)放大器A₂，其正相端輸入的是電流反饋信號(hào)，它是鋸齒波，如圖12(b)中之曲線③所示，A₂的反相端輸入誤差信號(hào)u _C，是一個(gè)直流信號(hào)，如圖12(b)中之曲線②所示。在這里，誤差信號(hào)u _C是用來作為門限電壓的。當(dāng)電流反饋信號(hào)u _B（鋸齒波）小于u _C時(shí)，A₂輸出低電位，而當(dāng)u _B上升到和u _C相交時(shí)，A₂的輸出變成高電位，使鎖存器復(fù)位。從而，鎖存器輸出端的信號(hào)如u _Q所示，但鎖存器是從‘非’端輸出的，所以，鎖存器的實(shí)際輸出信號(hào)如圖中的曲線④所示，其脈沖的寬度為t_P。
  
                   
                                          圖12 鎖存器的工作 

                    （a）邏輯框圖?。╞）邏輯關(guān)系與各部分波形

   3.6 脈沖占空比的控制

   脈沖周期是由振蕩器決定的，并且固定不變；脈沖寬度則取決于誤差信號(hào)u _C。

   在圖12中，當(dāng)②腳輸入的電壓反饋信號(hào)偏大時(shí)，說明開關(guān)電源的輸出電壓偏高。因?yàn)殡妷悍答佇盘?hào)是接到放大器A₁的反相端的，故誤差信號(hào)u _C將減小，如圖13(a)和(b)中之曲線②所示，可以看出，當(dāng)電壓反饋信號(hào)偏大時(shí)，u _B和u _C的交點(diǎn)位置左移了，結(jié)果是脈沖系列的占空比減小了，使偏大的輸出電壓有所下降，開關(guān)電源的輸出電壓趨于穩(wěn)定。 
 
                    
             
                                                圖13 占空比的控制  

                       （a）誤差信號(hào)較大?。╞）誤差信號(hào)較小  

    3.7 脈沖的輸出

   從觸發(fā)器輸出的PWM脈沖u E和從振蕩器產(chǎn)生的時(shí)鐘脈沖又共同輸入到或門F，如圖14(a)所示。F的邏輯關(guān)系如圖14(b)的上部所示。F正相端X的輸出信號(hào)使VT₀₂導(dǎo)通，用于加速主晶體管VT的截止，與輸出的脈沖波形無關(guān)。與輸出的脈沖波形有關(guān)的是或門‘非’端Y處的波形，根據(jù)或非門的邏輯關(guān)系，得到u _Y的波形如圖14(b)中的曲線⑤所示，經(jīng)VT₀₁放大后，得到主晶體管VT柵極的驅(qū)動(dòng)電壓u G的波形如曲線⑥所示。
  
                   
                                        圖14 脈沖的輸出  

                 （a）電路框圖?。╞）邏輯關(guān)系和各部分波形

   4 變頻器開關(guān)電源實(shí)例

   如圖15所示，是某變頻器實(shí)際開關(guān)電源的電路。二次繞組W₃的感應(yīng)電動(dòng)勢經(jīng)整流和濾波后得到＋5V直流電壓，因?yàn)椋?V直流電源是提供給CPU的，對穩(wěn)壓的要求最高。所以，反饋信號(hào)從＋5V電源處取出。圖中，＋5V電源經(jīng)R₁₅和R₁₆分壓后得到反饋信號(hào)，用于控制可控穩(wěn)壓器件PC₃的電流IS。PC₃和光耦合器PC2的發(fā)光二極管串聯(lián)，發(fā)光二極管的電流I D將隨I S一起改變。

    接受反饋信號(hào)的電路由振蕩心片PC₁的⑧腳提供十分穩(wěn)定的電源，經(jīng)光耦合器中PC₂的光敏三極管和R₈、R₉構(gòu)成反饋回路。反饋回路內(nèi)電流的大小取決于PC₂的光敏三極管電流I _T，反饋信號(hào)U_F從R₉上取出，提供給振蕩芯片的②腳。
 
                   
                             圖15    從CPU的5V電源采樣

   穩(wěn)壓過程如下：

   假設(shè)＋5V電壓偏高，則PC₃控制端的電壓u C升高：

   →可控穩(wěn)壓器件PC₃的電流I S升高；

   →光耦合器PC₂的I _D升高；

   →光耦合器PC₂的I T升高；

   →振蕩芯片PC₁②腳的反饋信號(hào)UF升高。振蕩芯片PC₁在得到反饋信號(hào)升高的信息后，將：

   →使PWM脈沖序列的占空比D下降；

   →脈沖變壓器一次繞組W1的平均電壓下降；

   →二次繞組W3的感應(yīng)電動(dòng)勢下降；

   →＋5V電壓下降，使偏高的電壓得到調(diào)整。

   張燕賓（1937-）

    畢業(yè)于上海電機(jī)學(xué)院的工業(yè)企業(yè)自動(dòng)化專業(yè)和吉林函授學(xué)院的數(shù)學(xué)系，高級(jí)工程師。曾先后在長春工業(yè)大學(xué)和長春大學(xué)任教，曾任宜昌市自動(dòng)化研究所副所長、宜昌市科委深圳聯(lián)絡(luò)處主任、宜昌市自動(dòng)化學(xué)會(huì)理事長、湖北省自動(dòng)化學(xué)會(huì)常務(wù)理事等職。退休后從事變頻調(diào)速技術(shù)的推廣應(yīng)用。每年應(yīng)邀在各地主講變頻調(diào)速學(xué)習(xí)班；在各類雜志上發(fā)表介紹變頻調(diào)速應(yīng)用方面的文章百余篇；已經(jīng)出版的著作有《SPWM變頻調(diào)速應(yīng)用技術(shù)》（第一、第二、第三、第四版）、《變頻調(diào)速應(yīng)用實(shí)踐》（主編）、《電動(dòng)機(jī)變頻調(diào)速圖解》、《實(shí)用變頻調(diào)速技術(shù)培訓(xùn)教程》、《常用變頻器功能手冊》、《變頻調(diào)速460問》、《變頻器應(yīng)用教程第一、第二版》、《變頻器的安裝、使用和維護(hù)》、《變頻器應(yīng)用圖冊》、《小孫學(xué)變頻》、《生產(chǎn)機(jī)械的變頻調(diào)速》（主編）、《變頻調(diào)速600問》等。    

   摘自《自動(dòng)化博覽》2012年第一期