高频调制稳流电路的控制方法探究.pdf

中国科技期刊数据库 工业 A 收稿日期：2024 年 01 月 27 日 作者简介：许亚朝（1990），男，汉族，河北保定人，硕士研究生，中级工程师，电力电子应用技术。-9-高频调制稳流电路的控制方法探究 许亚朝 保定天威保变，河北 保定 071000 摘要：摘要：在电子电力行业高速发展的背景下，为了保障设备的运行稳定，需要采用更加可靠的电源进行能源供应。高频高压直流电源是众多电子设备的核心构件，不仅需要满足体积小、性能可靠的基本要求，同时高频直流电源还需要具有更大的电压输出范围，能够灵活进行调节的同时，满足低纹波、高稳定度的使用要求。若要实现这一目标，就需要对电源高频调制稳流电路的控制方法进行不断优化和创新。为此，本文就高频调制稳流电路的控制进行探究，提出一种新型的控制方法，使高频直流电源性能更加稳定，更好的满足电子设备的供电需求，推动电子电力行业的发展进步。关键关键词：词：高频直流电源；稳流电路；控制；方法 中图分类号：中图分类号：TM921.5 电子设备的普及应用不仅是电源需求量的增长，同时对于电源供电能力、供电稳定性要求也更高。因此，在电源设计中，需要不断改良设计方案，全面提升电源的综合性能。当前电源稳流输出大多采用的控制思想是 PID 控制（比例积分微分控制）策略来实现输出电流的连续可调。但由于 PID 控制响应时间长，超调量大，存在稳态误差以及计算参数依赖经验数据和专家经验等缺点，导致进行电源输出实验调试繁琐而漫长。若要实现电源输出电流高效、精准的连续可调，就需要对稳流电路的控制方法进行改良。在进行高频调制稳流电路的优化上，需要采用新的方法，利用硬件来实现控制。1 高频直流电源概述 高频直流电源组成包括：硬件电路、降压电路、整流电路、滤波电路、输出电路、显示电路及监测电路。其中，输入电路与降压电力能够将市电 220V 电压降低至 30V 工频交流电。整流电路能够将低压交流电进行整流，实现直流电压的输出1。如图 1 所示整流电路示意图，在电源工作中，采用全桥电路进行整流，利用电感将输入波形进行整定后，在通过 MOS 管元件将其进行处理，控制整流输出。经过计算后 MOS 管占空比调整后由单片机进行 PWM 输出，使其达到符合要求的直流电压。滤波电路是高频直流电源中非常重要的组成部分，其主要作用保障输出电能的质量。在直流电源中，滤波电路根据恒压、恒流等需要，采用不同的滤波方式。其中恒压输出需要采用 RC 型滤波电路，其结构如图 2 所示，此电路滤波输出电压的脉动系数小，波形更为平滑，能够有效保障高频直流电源的恒压输出需要，确保电能输出稳定2。S1S2D1D2S3D3S4C1C2C4C3LkD4 图 1 整流电路示意图 C1R1 图 2 RC 型滤波电路 恒流输出则需要采用六阶低通巴特沃斯滤波电路。该滤波电路采用运算放大器工程的多路负反馈二阶滤波器进行联接，可以使滤波电路在带宽、速度、功耗等方面性能更加优秀。电源的显示、监测电路则是分别负责对输出直流电能进行监测和反馈，确保高高频直流电源能够以恒定数值进行输出，并且显示电源的实际情况。在高频直流电源采样中，利用霍尔传感器对电流进行监测，中国科技期刊数据库 工业 A-10-霍尔传感器将电流信号映射为电压信号，经控制器内A/D 模块转换成数字信号，转换结果将于设定值做比较，符合保护条件后将触发相应中断，对直流电源进行保护。在直流电源使用过程中，根据负载的不同，显示电路会将电源自身的变化和输出情况进行显示，同时也能够根据使用要求对电源输出进行调节，从而满足不同用电设备的需求。图 3 六阶低通巴特沃斯滤波电路 2 高频调制稳流电路硬件控制的基本原理 在电源设计中，通过硬件控制策略进行高频蒂稳流控制，需要采用电压比较器控制 MOS 管（场效应管）的门极电压，即通过控制器 DA 输出一个控制电压和采样电路输出的采样电压，同时进入电压比较器，通过控制MOS管栅极电压值来控制输出端漏极电流大小，来实现 MOS 管对电流的精准快速控制5。除此之外，还需要通过PID控制使实际输出电压与实际电流相匹配，降低电路功耗。最终，实现了电源系统的输出迅速，控制精确，运行稳定而可靠。这种高频调制稳流电路的控制方法，可以有效解决稳态误差、超调量大、相应时间长等问题，对于提升电源性能有着显著的作用6。3 高频调制稳流电路主要模块 在高频调制稳流电路的设计中，为了实现预期目标，需要根据电路的使用工况和场景来合理的选择器电路模块，其中主要包括了逆变电路、升压电路、采样与反馈电路、PWM 波抑制模块。通过模块对高频调制稳流电路的控制，能够有效提升电流的稳定性，最大限度保障电路设计科学，运行可靠。（1）逆变电路 在高频调制稳流电路中，逆变电路的拓扑结构主要包括了四种，分别为单端、推挽、半桥、全桥。在四种结构中，单端结构最为简单，但是变压器单向励磁造成其效率不高只能应用与中小功率的开关电源。推挽式的电路结构驱动简单，其缺点是电路漏感导致电压尖峰较大，适用于低输入电压的开关电源。桥式电路虽然能够应用于大功率中，但是其结构非常复杂，在同等电压和电流的情况下，全桥电路输入功率能够达到半桥电路的两倍。半桥电路相较于全桥地哪路而言，在输入功率上虽然有所不足，但是其结构相对精简，应用的综合效果更好，因此在逆变电路的选择上，以半桥拓扑结构为宜。在电路的逆变部分，还需要考虑对关断浪涌电压的控制，降低电路的损耗，通常可以采用 RCD 限幅的方式，黄思琪能够在中大功率场景中有效应用。（2）升压电路 升压电路作为重要模块，通常采用变压器升压后倍压整流。压变压器变比为 1：80，将逆变部分输出的幅值约为 510V 的类正弦波电压升压为 40kV 的高压交流电，之后经二倍压电路二次升压。考虑趋肤效应，将升压电路初级绕组确定为 20 匝，采用多线并绕的形式，次级绕组为 1600 匝。层间绝缘采用聚酰亚胺薄膜材料。倍压电路采用正负对称的二倍压电路。（3）采样与反馈电路 采样与反馈电路是确保高频调制稳流电路正常运行的关键。在采用与反馈电路的模块选择上，需要其具备稳定的数据采集能力，可以针对电路中的电流进行实时监测。为此，采用了霍尔传感器对电流进行监测，其中在整流桥前设置四个传感器，使其能够有效对电流变化状态进行监测，从而为蒂娜呀的控制提供数据支持。（4）PWM 波的控制模块 PWM 调制的基本原理就是按照面积相等的原则，用一系列幅值相等宽度不同的矩形波脉冲等效正弦波。相对于常用的对称规则采样法和自然采样法，等面积法产生的 SPWM 波具有谐波小、精度高，对称性好等优点。传统电源设计中，受限于芯片性能，等面积法存在计算繁琐，数据占用内存大，不能实时控制等缺点，而 DSP 芯片得益于其强大的数据处理能力，可以很好地克服这些不足。4 高频调制稳流电路硬件控制实施方案 在高频稳流电路赢家控制方法实施中，需要对高频电源稳流电路进行改进，使其形成硬件稳流控制装置，然后按照噶品调制稳流电路控制装置操作方法进行稳流控制，能够有效确保稳流控制大达到预期的效果。中国科技期刊数据库 工业 A-11-（1）高频调制稳流电路控制装置 高频调制稳流电路的控制装置包含：主控制器、选路控制电路、电压比较器、MOS 管、输出负载和电流采样电路。如图 4 所示，为高频调制稳流电路结构图，在该高频调制稳流电路中，STM32F103 为主控制器，TS5A3457 为选路控制芯片，选用运算放大器 LM324 为电压比较器，LM5106 为可编程死区半桥栅极驱动器用于驱动 buck 电路 MOS 管。图 4 高频调制稳流电路图 主控制器首先需要通过电流采样电路与输出负载连接。然后在将主控制器通过选路控制电路与电压比较器连接，电压比较器的输入端与电流采样电路连接，输出端与 MOS 管 Q4 连接。MOS 管 Q5 及 MOS 管 Q6 与 MOS管 Q4 以及输出负载互相串联，主控制器通过输出PWM(脉宽调制)信号控制 buck 电路的 MOS 管 Q5，实现输出电压可控，主控制器通过输出调制信号控制后级MOS 管 Q4，实现调制输出。（2）控制装置操作步骤 采用硬件进行高频调制稳流电路的控制方法，包含如下步骤：首先，主控制器将设置电流值和偏置电流值通过 D/A（数字/模拟）变换输出，通过选路控制电路选择主控制器的输出信号7.其次，通过输出调制信号控制 MOS 管 Q4，实现调制输出；利用 MOS 管的电压控制电流特性，通过加在输入端栅极的电压来控制输出端漏极的电流；主控制器 DA 输出一个控制电压和一个采样电压，同时进入电压比较器，如果控制电压比采样电压高，则控制 MOS 管 Q4 导通输出电流，反之，MOS 管 Q4 截止，电流减小，实现输出电流稳定控制。最后，根据设定电流值通过算法计算对应的实际电路的输出电压，通过 PWM 信号控制 MOS 管 Q5 及 MOS管 Q6 的通断，使实际输出电压与电流相匹配，实现降低能耗的目的8。（3）控制装置稳流效果分析 在实际应用中，采用闭环控制，主控制器通过电流采样电路与输出负载连接，主控制器通过选路控制电路将设置电流信号输入电压比较器，电压比较器通过采样电路的输出信号控制 MOS 管 Q4 的通断，实现实际电流的控制。主控制器输出 PWM 信号控制 MOS 管 Q5及 MOS 管 Q6，控制输出电压；并可以通过输出调制信号控制 MOS 管 Q4，实现调制输出。实现硬件控制电流，使响应时间更短，输出电流更精确；算法控制输出电压，使输出电压与输出电流相匹配9。主控制器主要元件为 STM32F103 芯片，通过采样电阻上的电流信号，与设定的电流信号比较，控制 MOS管 Q4 的开关，实现闭环控制。选路控制电路主要元件为 TS5A3157 选路开关，通过 TS5A3157 选路开关选择主控制器的输出信号，将设置电流值和偏置电流通过D/A 变换输出。设置电流值控制电路的实际输出电流，偏置电流值是驱动电源中放大器的输入电路的静态电流，即保证电路正常工作的初始值。利用 STM32F103芯片的高级定时器功能输出两路互补的 PWM 信号，经过UCC27282驱动芯片自动加死区时间来控制MOS管Q5及 MOS 管 Q6 的通断，进而实现输出电压的稳定可调。电压比较器采用 LM324 比较器，输出经过 15K 电阻上拉后接 MOS 管 G 脚，当控制电压比参考电压高，则控制 MOS 管 Q4 导通输出电流；当控制电压比参考电压低中国科技期刊数据库 工业 A-12-就输出低电平（接近 0V）使 MOS 管 Q4 截止，电流减小。通过硬件控制策略，采用电压比较器控制 MOS 管的门极电压，即通过控制器 DA 输出一个控制电压和采样电路输出的采样电压，同时进入电压比较器，通过控制MOS管栅极电压值来控制输出端漏极电流大小，来实现 MOS 管对电流的精准快速控制；并通过 PID 控制使实际输出电压与实际电流相匹配，降低电路功耗；最终，实现了电源系统的输出迅速，控制精确，运行稳定而可靠10。5 结语 综上所述，现阶段，高频电子设备的供电要求越来越严格，为了保障设备运行的稳定，进行电源的优化非常必要。传统的高频直流电源稳流控制难度大，控制精度不高，已经不能满足当下的设备供电需求。为此，通过硬件控制方法与算法控制方法相结合的控制策略，采用比较器控制 MOS 管的门极电压，可以实现 MOS 管对电流的精准快速控制。而且利用 PID 控制使实际输出电压与实际电流相匹配，能够在此基础上实现电路功耗的降低，达到了电源系统的输出迅速，控制精确，运行稳定而可靠的目的。参考文献 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