單片機控制的PWM斬波式交流凈化穩(wěn)壓電源

  摘  要: 介紹了傳統(tǒng)的正弦能量分配交流凈化穩(wěn)壓電源的基本原理及如何用高頻斬波和單片機技術對其進行改造。

    關鍵詞: 高頻  斬波  交流穩(wěn)壓器  AVR

     目前,在各種交流穩(wěn)壓電源中,采用正弦能量分配技術的交流凈化穩(wěn)壓電源是一種技術先進的穩(wěn)壓電源。這種電源主要是通過改變晶閘管的觸發(fā)角θ,來控制調感支路的等效電感,從而起到穩(wěn)定輸出電壓的作用。它具有性價比高、可靠性好等特點。

    但是這種方式產(chǎn)生的諧波較多,電感損耗較大,噪音明顯,尤其對電網(wǎng)產(chǎn)生很大干擾。為此,筆者用高頻PWM斬波技術對其進行改造,用MOSFET或IGBT代替TRIAC,通過調節(jié)高頻交流斬波器的脈沖寬度來調節(jié)等效電感。較好地解決了上述問題。

    傳統(tǒng)的正弦波交流凈化電源原理如圖1所示。

  圖1中T是帶氣隙的自耦變壓器,輸入交流電接T的B點,由C點輸出穩(wěn)定的交流電壓。L、L1和L2是線性電感器,L和雙向晶閘管V組成調感支路。L1和C1組成3次諧波濾波器,L2和C2組成5次諧波濾波器,減小輸出電壓的失真度。采用脈沖相位控制技術改變雙向晶閘管V的導通角,從而調整L的等效電感值,從T的N2繞組取得補償電壓,達到穩(wěn)壓目的。

    用高頻斬波技術改造傳統(tǒng)的正弦波交流凈化電源的關鍵是用高頻交流開關取代雙向晶閘管。高頻交流開關有兩種形式:整流橋+IGBT式和MOSFET反串聯(lián)式,如圖2所示。

    整流橋+IGBT式適合于大功率電源,MOSFET反串聯(lián)式適合于中小功率電源。下面具體介紹以整流橋+IGBT為交流功率開關、AVR系列單片機90S8535為控制核心的單片機控制高頻斬波調感式交流穩(wěn)壓電源。其原理框圖如圖3所示。 

    由于是感性負載,又不能像直流斬波那樣加續(xù)流回路,所以要給IGBT加開通和關斷緩沖電路。高頻交流開關控制采用了EPWM直流等電位調制技術。為使波形半波奇對稱和四分之一偶對稱,以消除傅里葉級數(shù)中的余弦項和偶次諧波,為三角波頻率,f_s為市電工頻;為脈沖寬度,為輸出電壓的偏差,三角波電壓的方程式為: 

    輸出電壓偏差ΔU為采樣電壓,觸發(fā)脈沖起點和終點的方程式為: 

    各觸發(fā)脈沖的起點角和終點角的數(shù)值為: 

    由于PWM斬波波形是鏡對稱和原點對稱,因此它的傅里葉級數(shù)中將只包含正弦項中的奇次諧波,即: 

    由上式可知,N越大諧波頻率越高。采用很小的LC濾波器就可以濾掉u_Le中的所有高次諧波。 

    如求等效電感L_e,通過使u_L=u_Le,u_Ll=U_Lmsinωt,對于u_Le,忽略掉其中的高次諧波時(高次諧波被L、C濾掉)u_Le=MUmsinωt,當u_L、u_Le用有效值表示有:U_L=MU_Le,兩邊各除以電流的有效值I_L,則可得: 

    EPWM示意波形如圖4所示。 

    AVR90S8535是8位RISC結構單片機,在8MHz晶振5V工作電壓時,單指令周期為125ns。內含8路10位ADC,最快轉換時間為65μs,帶有模擬比較器和兩個8/9/10 位PWM 功能的16位定時器/計數(shù)器,以及可編程的看門狗定時器,非常適合做高速PWM控制器。由圖3可以看到,AVR90S8535完成交流輸入、輸出電壓和輸出電流的采樣。同時由調感支路產(chǎn)生的過零同步信號也一起輸入單片機,過零同步信號的頻率為100Hz,每當過零同步信號輸入單片機時就觸發(fā)一次中斷。在中斷子程序中,單片機根據(jù)輸出采樣電壓計算EPWM占空比,該占空比賦予單片機的PWM定時器。AVR90S8535的PWM定時器設定為16kHz的PWM輸出。PWM斬波頻率太低太高都不好。斬波頻率太低時,交流開關關斷時被控電感續(xù)流電流對交流開關并聯(lián)電容充電,使得交流開關耐壓提高;斬波頻率太高時,交流開關開通損耗又會過大。單片機同時還完成故障保護、輸入輸出的數(shù)字化設定和顯示等功能。程序流程如圖5所示。 

    以高頻斬波和單片機技術改造傳統(tǒng)的正弦波交流凈化電源,成本上雖然增加一些但是技術上卻帶來了突破。它使得產(chǎn)品顯示直觀、設置方便,電感器和電容器所承受的諧波應力大大減小,功耗減小,特別對輸入端的諧波電流分量大大減小,可以滿足當前越來越嚴格的諧波規(guī)范要求,是今后電源的發(fā)展方向。