CN105843311A

CN105843311A - 前置脉宽调制移相跟随控制器、波形控制方法及稳压电源

Info

Publication number: CN105843311A
Application number: CN201510014937.9A
Authority: CN
Inventors: 王建辉; 赵克勇
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2015-01-13
Filing date: 2015-01-13
Publication date: 2016-08-10

Abstract

本发明提供了一种前置脉宽调制移相跟随控制器、波形控制方法及稳压电源，包括第一PID调节模块、第二PID调节模块、状态判断模块、PWM模块、PWM前置模块、PWM跟随模块、移动桥臂驱动模块和固定桥壁驱动模块；其中，所述第一PID调节模块一方面通过所述PWM模块连接所述移动桥臂驱动模块，另一方面依次通过第二PID调节模块、PWM跟随模块连接所述固定桥壁驱动模块；所述PWM模块、所述PWM前置模块、所述PWM跟随模和固定桥壁驱动模块顺次相连；本发明调节范围大，可高于普通的硬开关电路；本发明开关损耗小，效率高，功率管发热小电路安全；本发明空载损耗小。

Description

前置脉宽调制移相跟随控制器、波形控制方法及稳压电源

技术领域

本发明涉及大功率开关电源，具体地，涉及一种前置脉宽调制移相跟随控制器、波形控制方法及稳压电源。

背景技术

脉冲宽度调制技术简称PWM，是一种模拟控制方式，其根据相应载荷的变化来调制晶体管基极或MOS管栅极的偏置，来实现晶体管或MOS管导通时间的改变，从而实现开关稳压电源输出的改变。这种方式能使电源的输出电压在工作条件变化时保持恒定，是利用微处理器的数字信号对模拟电路进行控制的一种非常有效的技术。

PWM控制技术以其控制简单，灵活和动态响应好的优点而成为电力电子技术最广泛应用的控制方式，也是人们研究的热点。由于当今科学技术的发展已经没有了学科之间的界限，结合现代控制理论思想或实现无谐振波开关技术将会成为PWM控制技术发展的主要方向之一。

现有的大功率开关电源存在以下缺点：硬开关：控制方式相对落后，损耗大，开关噪音大，可靠性低。软开关：调节范围小，空载损耗大。很难应用于调压电源。

现有技术的控制波形，如图6是硬开关的PWM电路变换图，A显示的是变化的脉宽，范围0--45％B为缩减值，由图可见，桥臂的四个控制波形是同时变化的。缺点，开关损耗大。

如图7所示，是半移相控制桥的变化，与1不同的是QGX,QGX的波形是不变的，一直保持在45％，只有移动桥臂上的QYS，QYX的波形变化，优点是可以进行软关断。缺点：调节范围不大，空载损耗大。

如图8所示，移相电路的波形和半移相控制桥一样，QGX,QGX的波形是不变的，一直保持在45％，移动臂上的QYS，QYX的波形向前移动相位B，A就是与固定臂交叉而形成的有效工作脉宽，随着移动角的加大，有效脉宽变小，形成调节。缺点为调节范围不大，空载损耗大。

发明内容

针对现有技术中的缺陷，本发明的目的是提供一种前置脉宽调制移相跟随控制器及波形控制方法。本发明采用一种不同于普通PWM开关电源的控制技术，是对通用电力电子PWM技术的完善和升级，能够使开关电源调节范围更宽，损耗更小，工作更稳定，为了区别，本发明的控制方法简称PFP。本发明中前置PWM软开关移相稳压电源可输出调节为0-100V、0-500A开关电源，采用的前置脉宽调制移相跟随控制器，可应用于所有的500W以上的开关电源及电焊机。

根据本发明提供的一种前置脉宽调制移相跟随控制器，包括第一PID调节模块、第二PID调节模块、状态判断模块、PWM模块、PWM前置模块、PWM跟随模块、移动桥臂驱动模块和固定桥壁驱动模块；

其中，所述第一PID调节模块一方面通过所述PWM模块连接所述移动桥臂驱动模块，另一方面依次通过第二PID调节模块、PWM跟随模块连接所述固定桥壁驱动模块；所述PWM模块、所述PWM前置模块、所述PWM跟随模和固定桥壁驱动模块顺次相连；

所述状态判断模块一方面连接所述移动桥臂驱动模块和所述固定桥壁驱动模块，另一方面通过所述PWM模块连接所述移动桥臂驱动模块；

第一PID调节模块用于将输入的参数设置与反馈信号产生的第一路差值运算后输入PWM模块，进而调制出两路可调的互补脉宽，所述移动桥臂驱动电路用于根据输入的两路可调的互补脉宽产生移动桥臂控制波形以驱动移动桥臂电路；

第二PID调节模块用于将输入的参数设置与反馈信号产生的第二路差值进行运算后将运算结果输入PWM跟随模块，与此同时PWM模块将调制出的两路可调的互补脉宽和同步信号输入PWM前置模块；PWM前置模块用于将两路可调的互补脉宽前移一个固定值输入PWM跟随模块；PWM跟随模块用于根据所述运算结果和前移一个固定值的互补脉宽产生固定桥臂驱动模块的输入信号；所述固定桥臂驱动模块根据所述输入信号产生固定桥臂控制波形以驱动固定桥臂电路；

所述状态判断模块用于根据保护信号、启动信号，反馈信号控制固定桥臂与移动桥臂的开断。

优选地，所述移动桥臂控制波形和所述固定桥臂控制波形的控制频率均为20kHz。

优选地，根据前述的前置脉宽调制移相跟随控制器，如下步骤：

步骤1：PWM前置，具体为，在移动臂控制波形脉宽最大时移动桥臂控制波形进行预前移动5％，固定桥臂控制波形保持不变；

步骤2：PWM准移相工作，具体为，移动臂控制波形脉宽单臂变化，在脉宽调节时，移动臂控制波形脉宽变小至最大脉宽的0至40％；

步骤3：小电流转入谐振跟随控制，具体为，当移动臂控制波形脉宽小到20％以下时，固定臂控制波形脉宽跟随减小；

步骤4：更小电流转入谐振半桥控制，具体为，在空载、小电流电压输出时，移动控制波形脉宽为0，固定臂控制波形开始进行PWM调节。

优选地，在移动臂控制波形脉宽最大时移动桥臂控制波形进行预前移动5％，即将移动桥臂控制波形的相位提前2微秒。

优选地，移动臂控制波形在最大脉宽的10％-100％最大脉宽时采用PWM调节；固定臂最的控制波形在移动臂控制波形在最大脉宽的20％-100％时，保持固定。

优选地，小电流电压输出时，具体为电流小于额定电流15％额定电流时，关闭移动臂。

本发明还涉及一种前置PWM软开关移相稳压电源，包括前述的前置脉宽调制移相跟随控制器。

与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：

1、本发明调节范围大，可高于普通的硬开关电路；

2、本发明开关损耗小，效率高，功率管发热小电路安全；

3，本发明空载损耗小。

附图说明

通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：

图1为本发明的原理框图；

图2为本发明中波形控制示意图；

图3为本发明中正常PWM准移相工作时的电流波形；

图4为本发明中主电路的结构示意图；

图5本发明中具体实施的电路图；

图6为背景技术中普通PWM控制电路中四个功率管的控制波形；

图7为背景技术中准移相PWM控制电路四个功率管的控制波形；

图8为背景技术中移相控制电路四个功率管的控制波形。

图中：

A为电流预前加速；

B为电流加速；

C为电流恒定负载保持；

D为电流软关断。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进。这些都属于本发明的保护范围。

在本实施例中，本发明提供的前置脉宽调制移相跟随控制器，包括第一PID调节模块、第二PID调节模块、状态判断模块、PWM模块、PWM前置模块、PWM跟随模块、移动桥臂驱动模块和固定桥壁驱动模块；

所述状态判断模块用于根据保护信号、启动信号，反馈信号控制固定桥臂与移动桥臂的开断。所述移动桥臂控制波形和所述固定桥臂控制波形的控制频率均为20KZ。

本发明提供的波形控制方法，采用所述前置脉宽调制移相跟随控制器，如下步骤：

其中，在移动臂控制波形脉宽最大时移动桥臂控制波形进行预前移动5％，即将移动桥臂控制波形的相位提前2微秒。移动臂控制波形在最大脉宽的10％-100％最大脉宽时采用PWM调节；固定臂最的控制波形在移动臂控制波形在最大脉宽的20％-100％时，保持固定。小电流电压输出时，具体为电流小于额定电流15％额定电流时，关闭移动桥臂。由图3可见本发明的工作状态可以达到软开关状态。

本发明提供的前置PWM软开关移相稳压电源，包括所述的前置脉宽调制移相跟随控制器。

需要说明的是，当移动桥臂控制波形脉宽减小到一定程度之后，固定桥臂看着办要跟随移动，当移动桥臂控制波形脉宽减小到0后，固定臂脉宽继续缩小。这样的控制虽然很复杂，还有无缝转换的难点，但可以使电路有很多优点：1、调节范围大，可高于普通的硬开关电路，2、开关损耗小，效率高，功率管发热小电路安全，3，空载损耗小。

如图4所示，主电路区别说明：在硬开关PWM电路时，主电路中没有换向电容CYS，换向电容CYX，没有换向电感LH,也没有饱和开通电感LK。在移相和半相电路中有。但在有的调节范围不大的电流型移相电路中，换向电感LH也省略了。整流后的电阻R11与电容C8用于电压源空载的电压维持，利用的是换向电感LH与换向电容CYS，换向电容CYX的谐振原理产生较高的空载电压用于空载维持，所以与一般的移相电路不同的是本机的空载损耗是很小的。主电路即固定桥臂电路和移动桥臂电路。

在一个更为具体的实施案例中，如图5所示，电路核心部分说明：

在图5中，外围的接口与区域有：

1，JKUF：反馈电压、电流接口

2，KZJK：控制接口：负责设置给定的电压，电流，及电路的开通与复位

3，WYDYQ：稳压电源区；负责提供为主电路及驱动电路提供稳定的和隔离的电压，其中主电路电压为24V、12V，5V.驱动电路的电压为四路相互的22伏直流电压。

4，GXQD：IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor，绝缘栅双极型晶体管驱动区)，驱动全桥移相电路的固定下桥臂。

5，GSQD：IGBT驱动区，驱动全桥移相电路的固定上桥臂。

6，YXQD：IGBT驱动区，驱动全桥移相电路的移动下桥臂。

7，YSQD:IGBT驱动区，驱动全桥移相电路的移动上桥臂。

1、电流状态的判断

反馈接口的第2脚是电流反馈信号，电流反馈信号一路经过电阻134R、电容128C滤波输入放大器129JB，经过电阻127R/电阻126R的比例放大以及电阻130R/电阻131R所设定的现值进行比较产生的结果经过电阻133R、二极管95D来驱动三极管59Q关断移动桥臂。由此可见，实际工作中，当电流反馈信号很小时，移动桥臂是不工作的，只有电流反馈信号经放大后大于电阻130R/电阻131R*12V移动桥壁才开始工作。

电阻131R用于供给显示电路，来显示电流值，电阻132R用来设定滞回值使电流状态不会频繁切换。

电流反馈信号另一路经过电阻135R、电容141C滤波再通过电阻117R给放大器81J，通过与给定的IPWM进行运算比较来控制集成PWM芯片74J的脉宽来调节电流。给定值经过电位器34E降压，经过电阻50R，电位器68E分压到达放大器81J的第三脚，来设定电流给定值。放大器81J的运算参数由电阻101R、电容80C、电阻79R、电容97C、二极管82Z，二极管102Z决定，100R用于对放大器调零。放大器81J的第六脚的值在经过三路的判断与控制才能决定最终的输出结果。

其中，一路进过电阻96R输出到集成PWM芯片74J的第二脚，来控制移动桥臂的脉宽。但是当集成PWM芯片74J的第六脚的输出值比较小时，例如小于0.9V，由电阻62R/电阻61R*5V设定，通过电阻78R、比较器65JB关断移动桥臂。电阻64R用于进行滞回保护；

放大器81J的第六脚的值进一步的减小时通过电阻83R，比较器65JA、单稳态触发器26J来逐步的关断固定桥臂。其中，电阻66R、电容47C来决定初始比较脉宽的时间，也决定脉宽跟谁的宽度。电阻76R、三极管77Q用于产生同步的三角波。

电阻28R用于为比较器65JA的输出提供上拉电阻，来触发单稳态触发器26J；单稳态触发器26J的工作时间由电阻11R、电容27C来定时。由电阻40R输出，用来触发三极管37Q关断固定桥臂。

2、准移相波形的发生电路：

集成PWM芯片74J由PWM发生电路94C、电容92C用来决定开关工作频率，电阻75R和电容94C决定软启动时间，继电器55E用来调整输出死区；电阻76R、电阻58R用来输出同步信号。集成PWM芯片74J的第11脚、第14脚是PWM输出端，分别通过电阻71R、电阻72R直接驱动移动桥臂，集成PWM芯片74J的第11脚通过电阻56R、电阻57R、电容4C、电容22C延时触发单稳态触发器21J，形成固定移相的固定桥臂开通，固定桥臂的关断由同步信号决定。

其中电阻8R、电容23C、电阻3R、电容20C用来控制单稳态时间。单稳态时间范围大于一个半个周期。电阻6R和三极管9Q是同步关断电路，根据同步信号关断单稳态触发器21J的输出，也就是关断固定桥臂脉宽。

3、启动保护电路

启动信号是把电容122C短路，则电流流过三极管138Q、电阻121R，从而三极管138Q导通，电压通过电阻30R加在二极管32Z上使三极管48Q导通，把电阻45R和电阻38R的电压拉低使三极管59Q和三极管37Q由导通状态转为关断状态，从而打开移动桥臂与固定桥臂。

关断时短路断开，三极管138Q截止、三极管48Q也就截止了，电压通过电阻67R，电阻45R、电阻38R，把三极管37Q、三极管59Q导通，分别通过二极管19D、二极管36D、二极管52D、二极管53D从而使固定桥臂与移动桥臂都关断。

过流信号通过电阻12R把1K触发时二极管32Z电压拉低使三极管48Q截止，使固定桥臂与移动桥臂都关断。

4、电压反馈信号的处理

反馈接口的第4脚是电压信号，通过电阻142R、电阻136R、电阻113R到达放大器111J第二脚，与通过电阻115R到达的给定电压运算，通过电容110C、电阻109R的比例积分产生的信号通过二极管108D控制PWM的控制值

从而控制电压输出，由图可见在控制值小时，电路可自动转为半桥工作模式。

用本发明FPF控制法的制造的稳压电源与普通的稳压电源实验指标对比：

稳压电源的设计目标是在宽的电压范围(190-250V)内达到最大60V/50A的输出目标并尽量可能的加大调节范围来作为可调的恒压、恒流源来使用，由表可见在不考虑干扰和功率管温升的情况下，传统的PWM控制法是较好的。但功率较大时这种方法的效率及可靠性要降低，甚至是致命的。电磁干扰也很难处理，而半移相控制桥很显然在指标上很难理想。这里没有使用移相控制是因为在拓补原理上与半移相控制桥是相同的。

以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变形或修改，这并不影响本发明的实质内容。

Claims

1.一种前置脉宽调制移相跟随控制器，其特征在于，包括第一PID调节模块、第二PID调节模块、状态判断模块、PWM模块、PWM前置模块、PWM跟随模块、移动桥臂驱动模块和固定桥壁驱动模块；

2.根据权利要求1所述的前置脉宽调制移相跟随控制器，其特征在于，所述移动桥臂控制波形和所述固定桥臂控制波形的控制频率均为20kHz。

3.一种波形控制方法，采用权利要求1或2所述的前置脉宽调制移相跟随控制器，其特征在于，如下步骤：

4.根据权利要求3所述的波形控制方法，其特征在于，在移动臂控制波形脉宽最大时移动桥臂控制波形进行预前移动5％，即将移动桥臂控制波形的相位提前2微秒。

5.根据权利要求3所述的波形控制方法，其特征在于，移动臂控制波形在最大脉宽的10％-100％最大脉宽时采用PWM调节；固定臂最的控制波形在移动臂控制波形在最大脉宽的20％-100％时，保持固定。

6.根据权利要求3所述的波形控制方法，其特征在于，小电流电压输出时，具体为电流小于额定电流15％额定电流时，关闭移动臂。

7.一种前置PWM软开关移相稳压电源，其特征在于，包括权利要求1或2所述的前置脉宽调制移相跟随控制器。