单片机控制的PWM斩波式交流净化稳压电源

    目前,在各种交流稳压电源中,采用正弦能量分配技术的交流净化稳压电源是一种技术先进的稳压电源。这种电源主要是通过改变晶闸管的触发角θ,来控制调感支路的等效电感,从而起到稳定输出电压的作用。它具有性价比高、可靠性好等特点。

    但是这种方式产生的谐波较多,电感损耗较大,噪音明显,尤其对电网产生很大干扰。为此,笔者用高频PWM斩波技术对其进行改造,用MOSFET或IGBT代替TRIAC,通过调节高频交流斩波器的脉冲宽度来调节等效电感。较好地解决了上述问题。

    传统的正弦波交流净化电源原理如图1所示。

  图1中T是带气隙的自耦变压器,输入交流电接T的B点,由C点输出稳定的交流电压。L、L1和L2是线性电感器,L和双向晶闸管V组成调感支路。L1和C1组成3次谐波滤波器,L2和C2组成5次谐波滤波器,减小输出电压的失真度。采用脉冲相位控制技术改变双向晶闸管V的导通角,从而调整L的等效电感值,从T的N2绕组取得补偿电压,达到稳压目的。

    用高频斩波技术改造传统的正弦波交流净化电源的关键是用高频交流开关取代双向晶闸管。高频交流开关有两种形式:整流桥+IGBT式和MOSFET反串联式,如图2所示。

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    整流桥+IGBT式适合于大功率电源,MOSFET反串联式适合于中小功率电源。下面具体介绍以整流桥+IGBT为交流功率开关、AVR系列单片机90S8535为控制核心的单片机控制高频斩波调感式交流稳压电源。其原理框图如图3所示。 

    由于是感性负载,又不能像直流斩波那样加续流回路,所以要给IGBT加开通和关断缓冲电路。高频交流开关控制采用了EPWM直流等电位调制技术。为使波形半波奇对称和四分之一偶对称,以消除傅里叶级数中的余弦项和偶次谐波,为三角波频率,f_s为市电工频;为脉冲宽度,为输出电压的偏差,三角波电压的方程式为: 

    输出电压偏差ΔU为采样电压,触发脉冲起点和终点的方程式为: 

    各触发脉冲的起点角和终点角的数值为: 

    由于PWM斩波波形是镜对称和原点对称,因此它的傅里叶级数中将只包含正弦项中的奇次谐波,即: 

    由上式可知,N越大谐波频率越高。采用很小的LC滤波器就可以滤掉u_Le中的所有高次谐波。 

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    如求等效电感L_e,通过使u_L=u_Le,u_Ll=U_Lmsinωt,对于u_Le,忽略掉其中的高次谐波时(高次谐波被L、C滤掉)u_Le=MUmsinωt,当u_L、u_Le用有效值表示有:U_L=MU_Le,两边各除以电流的有效值I_L,则可得: 

    EPWM示意波形如图4所示。 

    AVR90S8535是8位RISC结构单片机,在8MHz晶振5V工作电压时,单指令周期为125ns。内含8路10位ADC,最快转换时间为65μs,带有模拟比较器和两个8/9/10 位PWM 功能的16位定时器/计数器,以及可编程的看门狗定时器,非常适合做高速PWM控制器。由图3可以看到,AVR90S8535完成交流输入、输出电压和输出电流的采样。同时由调感支路产生的过零同步信号也一起输入单片机,过零同步信号的频率为100Hz,每当过零同步信号输入单片机时就触发一次中断。在中断子程序中,单片机根据输出采样电压计算EPWM占空比,该占空比赋予单片机的PWM定时器。AVR90S8535的PWM定时器设定为16kHz的PWM输出。PWM斩波频率太低太高都不好。斩波频率太低时,交流开关关断时被控电感续流电流对交流开关并联电容充电,使得交流开关耐压提高;斩波频率太高时,交流开关开通损耗又会过大。单片机同时还完成故障保护、输入输出的数字化设定和显示等功能。程序流程如图5所示。 

    以高频斩波和单片机技术改造传统的正弦波交流净化电源,成本上虽然增加一些但是技术上却带来了突破。它使得产品显示直观、设置方便,电感器和电容器所承受的谐波应力大大减小,功耗减小,特别对输入端的谐波电流分量大大减小,可以满足当前越来越严格的谐波规范要求,是今后电源的发展方向。