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开关电源在变频器中的应用
企业:《自动化博览》 日期:2012-02-15
领域:低压电器 点击数:5189

    摘要:本文介绍了开关电源的基本原理,以及变频器里开关电源的特点。比较详细地分析了作为开关电源里核心部件的集成振荡心片的结构和原理。最后介绍了一个在变频器里具体应用的实例。

   关键词:开关电源;晶体管串联稳压电源;脉冲变压器;脉宽调制

   1 开关电源概述

   开关电源的全称是高频开关稳压电源,在变频器里用于为控制电路提供电压稳定的直流电源。

    1.1 开关电源的工作特点和优点

    所谓开关电源的工作特点和优点,是相对于晶体管串联稳压电源而言的。

    (1)晶体管串联稳压电源

    如图1(a)所示,其原理是:首先经变压器T1降压,进行全波整流并滤波后得到直流电压UD1,又通过晶体管VT1调整后得到稳定的输出电压UD2。其稳压过程是:令UD2与基准电压UR进行比较并放大后所得信号,用于控制晶体管VT1的基极电流,从而调整了VT1的集电极电流和管压降,使输出电压得以稳定。

    这种方法的主要缺点是:

    ①因为变压器T1需要铁心,故体积大,重量重。

    ②晶体管VT1工作在放大状态,故功耗大。
    
                   
                                   图1 串联式开关电源 

       (a)晶体管串联稳压电源 (b)串联式开关稳压电

   (2)串联式开关电源

    如图1(b)所示,其工作特点是:

    ①晶体管VT2并不直接控制输出电压,而是控制脉冲变压器一次侧的平均电压U1。

    ②一次侧电压U1的平均值取决于直流电压UD1与脉冲占空比D的乘积:

    U1=KDUD1 (1)

    式中,U1—脉冲变压器一次电压的平均值,V;

   UD1—输入直流电压,V;

   K—比例常数;D—脉冲的占空比,

    定义是:D= tP / tC(2)
   式中, tP — 脉冲的宽度,μs;tC — 脉冲周期,μs。

   ③稳压过程是:UD2与UR进行比较后所得信号,用于调整PWM发生器的占空比,从而调整了U1的平均值,使UD2得以稳定。

   开关电源的主要优点是:

   (1)高频脉冲变压器的体积小,重量轻。

   (2)晶体管VT2工作在开关状态,故功耗小。

   1.2 脉冲变压器的工作特点

   高频脉冲变压器是开关电源里的重要部件之一,其结构如图2(a)所示。高频变压器的磁路由高频磁心构成,非但导磁率高,且体积小,重量轻。

   顾名思义,脉冲变压器传递的是脉冲信号,其工作特点如下:

   当输入的脉冲信号上升,一次绕组的磁通增加时,根据楞茨定律,二次绕组的感应电流必阻碍磁通的增加,二次电流磁通的方向,和一次磁通穿过二次绕组的磁通方向相反,如图2(b)的上方所示,由此判断二次电压的极性是上“+”、下“-”;

   当输入的脉冲信号下降,一次绕组的磁通减少时,二次绕组的感应电流必阻碍一次磁通的减少,二次电流磁通的方向,与一次磁通穿过二次绕组的磁通方向相同,如图2(b)下方所示,由此判断二次电压的极性是上“-”、下“+”。

    可见,尽管一次电压是单极性的,如图2(c)中之曲线①所示,但二次电压却是交变的,如图2(c)中之曲线②所示。
  
             
                                      图2 脉冲变压器

            (a)脉冲变压器 b)副方电动势 c)原、副方电压

   2 变频器里的开关电源

   2.1 一次电源

   变频器里,向脉冲变压器的一次绕组提供电源的方式主要有三种:

   (1)直流回路供电

   从变频器内部的直流回路向开关电源提供电源,如图3(a)所示。

    (2)取直流电压之半

   因为变频器里直流电路的滤波电容通常都是由两组电容器串联而成的,所以,可以从两组电容器的中间取出直流电压,如图3(b)所示。这种方法可以降低对开关电源的耐压要求。
   
                    
                                   图3 开关电源的输入电源

                (a)取直流电源 (b)取直流电源之半 (c)独立电源

   (3)单独供电

   电源取自变频器主接触器KM之前,通过变压器降压后向开关电源供电,如图3(c)所示。这种方式的开关电源比变频器先得电,可以使控制电路事先做好准备工作后再让变频器通电。

    2.2 二次绕组

   如图4所示,除了W1是高压的一次绕组外,其余都是低压的二次绕组,它们的作用分别是:

   (1)自激电源

   如图中之W2,用于为PWM发生器提供自激励电源。

   (2)5V电源  

   如图中之W3,用于为CPU提供5V电源,是控制电路中对稳压要求最高的电源,所以采用π形滤波,稳定电压的采样电压也由此取出。就是说,控制电压的是否稳定,主要看5V电压。

   (3)±15V电源

   如图中之W4和W5,主要用于为变频器的频率给定电路提供电源。

   (4)24V电源

   ①为接收外接开关量信号的电路提供电源;

   ②为用户提供24V电源,以便用作传感器或低压控制电路的电源。
  
                     
                                    图4 变频器开关电源的二次绕组

   (5)驱动电源

   为IGBT的驱动电路提供电源。驱动电源又分两种情况:

    ①上桥臂驱动电源 变频器中,逆变桥上桥臂的三个逆变管分别和输出的U、V、W相联接,如图5中之①、②、③所示。故三个电源的二次绕组必须分开,互相间是绝缘的,如图4中之W7、W8和W9所示。

    ② 下桥臂驱动电源 变频器中逆变桥下桥臂的三个逆变管的发射极都和直流电路的负端N相接,如图5中之④所示。故可以共用一个电源,变压器的二次绕组如图4中之W10所示。

    2.3 开关电源的稳压途径

   (1)开关电源的输入电压

   许多变频器里,开关电源的输入电压直接取自直流高压UD,而直流高压UD是很不稳定的,如图6(a)中之曲线①所示,原因如下:

   ①滤波效果差 因为变频器的直流电路里只用了简单的电容器滤波,滤波后的电压纹波仍十分明显。

   ②输出负载变动 电动机的负载率是经常变动的,当电动机的负载率变动时,直流电压UD也将随之波动。

   ③过渡过程中的电压波动 例如,在电动机加、减速的过程中,直流电压有较大幅度的波动。
  
                  
                                         图5 变频器的驱动电源

   (2)稳压途径

   首先,把输入电压经脉宽调制后,得到如图6(a)中曲线②所示的脉冲系列,其平均值为U1

   由式(1)知,当UD2变动时,通过改变脉冲系列的占空比D,可以使U1的平均值保持不变。具体地说,则:

   当UD2偏低时,加大占空比D;而当UD2偏高时,减小占空比D,如图6(b)所示。
         
                     
                                                  图6 开关电源的稳压

                                   (a)稳压框图 (b)稳压原理

   为此,开关器件大多采用能够以很高频率进行通、断控制的电力MOSFET管,如图6(a)所示。晶体管VT由一个PWM发生器来控制。因为最终要求输出的直流电压UD2稳定,所以,判断电压是否偏离基准值的信号,从输出侧取出,并以此来调整PWM发生器的脉冲占空比。

   2.4 脉冲变压器的一次侧电路

   脉冲变压器的一次侧电路如图7(a)所示,当晶体管VT导通,一次电压u 1上升时,因为变压器的一次绕组是个大电感,所以电流i1是按指数规律上升的,如图7(b)中的曲线②所示,源极电阻RS上的电压降u S也按指数规律上升。由于电流的增大,使二次绕组里的感应电动势e2为“+”(上“+”下“-”);
                     
                                   图7 脉冲变压器的一次电路 

                     (a)脉冲变压器电路 (b)各参数波形


    当晶体管VT截止,一次电压u 1下降时,变压器一次绕组的电流i1不能立即消失,而是通过二极管VD续流,向电容器C充电,所以电流按指数规律下降。但这时,VT的源极电流等于0,源极电阻R S上的电压降u S也降为0,所以,u S是锯齿波,如图7(b)中之曲线④所示。在电流i1减小的过程中,二次绕组里的感应电动势e2为“-”(上“-”下“+”)。所以,二次绕组里感应电动势的波形如图7(b)的曲线③所示。
  
    3 开关电源的振荡心片

   现在的变频器里,分立元件的开关电源已很少见,大多采用由集成电路振荡芯片来调整脉冲序列的占空比。
  
                    
                      图8   振荡芯片各管脚的功能

   3.1 振荡芯片的管脚功能

   以变频器里用得较多的3844振荡芯片为例,如图8所示,各管脚的功能如下:

   ⑦脚和⑤脚:输入电源端子,最大输入电压为30V,通常为20V左右;

   ⑧脚:输出5V基准电压,其温度稳定性好,常用来为反馈网络和R、C振荡回路提供稳定的电源。

   ④脚:芯片内部振荡器的输入端,用于产生决定脉冲周期的时钟脉冲。可通过外接的阻容电路和内部的振荡电路配合,调整振荡频率。
  
                     
                                   图9 振荡芯片的供电

   ②脚:电压反馈信号的输入端,其输入信号的大小将调整PWM的占空比。

   ③脚:电流反馈信号的输入端,用以输入一次绕组的电流信号和进行过电流保护。

   ①脚:误差信号输出端,用于和外部的阻容反馈网络相配合,以调整内部放大器的放大倍数,和改善动态响应。

   ⑥脚:PWM脉冲序列的输出端,用于驱动开关管的控制极。

   3.2 振荡心片的激励与自供电

   变频器接通电源后,直流电压UD由R 1和R 2降压后,在稳压管VS1上得到比较稳定的低压,开始向电容器C1充电,如图9所示。C1上的电压施加于振荡心片PC1的⑦脚和⑤脚之间,当C1充电到一定程度时,PC1被激励而开始振荡。⑥脚开始有脉冲输出,并驱动晶体管VT的栅极,VT开始导通,脉冲变压器的一次绕组W1得到脉冲电流。

   一次绕组W1中的脉冲电流迅速上升,二次绕组W2产生上‘+’下‘-’的感应电动势E2,E2经二极管VD2整流后向⑦脚供电。通常,振荡芯片从直流电路吸收的激励电流只有1mA,而正常工作时吸收的电流约为15 mA。就是说,当芯片振荡起来后,心片的电源主要由W2自己提供,W2称为自供电绕组。

    3.3 脉冲周期的决定

    芯片内部的振荡器是用来产生时钟脉冲的,时钟脉冲的周期就是PWM的脉冲周期tC。tC的大小由外电路的R3和C2决定,如图10所示。
       
                        
                                  图10   振荡器电路


    时钟脉冲的宽度tD称为死区,tD的最佳值约为振荡周期tC的15%。有关资料表明,tD主要取决于C2的大小。

    3.4 电压反馈和误差信号

   芯片内部有一个误差放大器A1,如图11所示,其正相输入端输入的是一个基准电压,它取决于内部的基准电源经R 01和R 02的分压,通常为2.5V,反相输入端得到的是从②脚输入的电压反馈信号。

   ②脚输入的电压反馈信号和内部的基准信号相比较,得到‘误差信号’,外部的R 7、C4电路,实际上是跨接在放大器的输出端和反相输入端之间的,R 7用来改变A1的放大倍数,C4则用来吸收干扰信号,两者的接入,可以改善A1的动态响应。所以,振荡芯片的①脚并不是向外电路提供误差信号,而是为了和外电路的R7、C4配接而设置的。
 
                  
                                  图11    误差信号

    3.5 PWM锁存器

   锁存器实际上是一个具有锁存功能的R -S触发器,在这里,锁存功能表现为:在一个周期里,触发器只能翻转一次。

    (1)锁存器的置位

   如图12(a),锁存器的S端输入的是由振荡器产生的时钟脉冲,如图12(b)中之曲线①所示。所以,当每次时钟脉冲为高电平时,R -S触发器的Q端就被置位,输出高电平(Q 端为低电平)。

   (2)锁存器的复位

   图12(a)中,又有一个放大器A2,其正相端输入的是电流反馈信号,它是锯齿波,如图12(b)中之曲线③所示,A2的反相端输入误差信号u C,是一个直流信号,如图12(b)中之曲线②所示。在这里,误差信号u C是用来作为门限电压的。当电流反馈信号u B(锯齿波)小于u C时,A2输出低电位,而当u B上升到和u C相交时,A2的输出变成高电位,使锁存器复位。从而,锁存器输出端的信号如u Q所示,但锁存器是从‘非’端输出的,所以,锁存器的实际输出信号如图中的曲线④所示,其脉冲的宽度为tP
  
                   
                                          图12 锁存器的工作 

                    (a)逻辑框图 (b)逻辑关系与各部分波形

   3.6 脉冲占空比的控制

   脉冲周期是由振荡器决定的,并且固定不变;脉冲宽度则取决于误差信号u C

   在图12中,当②脚输入的电压反馈信号偏大时,说明开关电源的输出电压偏高。因为电压反馈信号是接到放大器A1的反相端的,故误差信号u C将减小,如图13(a)和(b)中之曲线②所示,可以看出,当电压反馈信号偏大时,u B和u C的交点位置左移了,结果是脉冲系列的占空比减小了,使偏大的输出电压有所下降,开关电源的输出电压趋于稳定。 
 
                    
             
                                                图13 占空比的控制  

                       (a)误差信号较大 (b)误差信号较小  

    3.7 脉冲的输出

   从触发器输出的PWM脉冲u E和从振荡器产生的时钟脉冲又共同输入到或门F,如图14(a)所示。F的逻辑关系如图14(b)的上部所示。F正相端X的输出信号使VT02导通,用于加速主晶体管VT的截止,与输出的脉冲波形无关。与输出的脉冲波形有关的是或门‘非’端Y处的波形,根据或非门的逻辑关系,得到u Y的波形如图14(b)中的曲线⑤所示,经VT01放大后,得到主晶体管VT栅极的驱动电压u G的波形如曲线⑥所示。
  
                   
                                        图14 脉冲的输出  

                 (a)电路框图 (b)逻辑关系和各部分波形

   4 变频器开关电源实例

   如图15所示,是某变频器实际开关电源的电路。二次绕组W3的感应电动势经整流和滤波后得到+5V直流电压,因为+5V直流电源是提供给CPU的,对稳压的要求最高。所以,反馈信号从+5V电源处取出。图中,+5V电源经R15和R16分压后得到反馈信号,用于控制可控稳压器件PC3的电流IS。PC3和光耦合器PC2的发光二极管串联,发光二极管的电流I D将随I S一起改变。

    接受反馈信号的电路由振荡心片PC1的⑧脚提供十分稳定的电源,经光耦合器中PC2的光敏三极管和R8、R9构成反馈回路。反馈回路内电流的大小取决于PC2的光敏三极管电流I T,反馈信号UF从R9上取出,提供给振荡芯片的②脚。
 
                   
                             图15    从CPU的5V电源采样

   稳压过程如下:

   假设+5V电压偏高,则PC3控制端的电压u C升高:

   →可控稳压器件PC3的电流I S升高;

   →光耦合器PC2的I D升高;

   →光耦合器PC2的I T升高;

   →振荡芯片PC1②脚的反馈信号UF升高。振荡芯片PC1在得到反馈信号升高的信息后,将:

   →使PWM脉冲序列的占空比D下降;

   →脉冲变压器一次绕组W1的平均电压下降;

   →二次绕组W3的感应电动势下降;

   →+5V电压下降,使偏高的电压得到调整。

   张燕宾(1937-)

    毕业于上海电机学院的工业企业自动化专业和吉林函授学院的数学系,高级工程师。曾先后在长春工业大学和长春大学任教,曾任宜昌市自动化研究所副所长、宜昌市科委深圳联络处主任、宜昌市自动化学会理事长、湖北省自动化学会常务理事等职。退休后从事变频调速技术的推广应用。每年应邀在各地主讲变频调速学习班;在各类杂志上发表介绍变频调速应用方面的文章百余篇;已经出版的著作有《SPWM变频调速应用技术》(第一、第二、第三、第四版)、《变频调速应用实践》(主编)、《电动机变频调速图解》、《实用变频调速技术培训教程》、《常用变频器功能手册》、《变频调速460问》、《变频器应用教程第一、第二版》、《变频器的安装、使用和维护》、《变频器应用图册》、《小孙学变频》、《生产机械的变频调速》(主编)、《变频调速600问》等。    

   摘自《自动化博览》2012年第一期
 

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