固緯電子電力電子教學(xué)小課堂 | 第二十講: PEK-120模塊之PWM

PTS-系列之PEK-100系列教學(xué)
PEK-120模塊之PWM

寫(xiě)在前面的話(huà)

經(jīng)過(guò)前幾期對于PTS-800中基本的電路圖拓撲結構的學(xué)習，我們已經(jīng)掌握了基本的電路模型。從PEK-100系列開(kāi)始，在固有電路拓撲基礎上開(kāi)始對電路的控制方式進(jìn)行學(xué)習。本期將針對直流變換器PEK-120的控制方式以及與新能源中光伏發(fā)電結合探究最大功率點(diǎn)追蹤技術(shù)的學(xué)習。

PEK-120

降壓式轉換器模組

簡(jiǎn) 述：

對于一個(gè)直流變換器而言，PWM（脈沖寬度調制）是將控制信號轉換為開(kāi)關(guān)管開(kāi)通與關(guān)斷命令的方法中最典型的方法。通常情況下以高頻三角波（或鋸齒波）作為載波，載波與調制波進(jìn)行比較得到一系列等高不等寬的方波信號作為開(kāi)關(guān)管的觸發(fā)命令。其中開(kāi)關(guān)管導通時(shí)間與開(kāi)關(guān)管切換周期之比作為開(kāi)關(guān)管的占空比。本次就以降壓變換器為例為大家展示PWM控制效果。

通常鋸齒波為固定頻率，但是為了提高變換器輕載時(shí)的效率或者是降低空載時(shí)的損耗，許多變換器會(huì )將載波頻率隨著(zhù)負載降低來(lái)減少輕載時(shí)變換器的損耗。此外，為了減少電磁干擾問(wèn)題，一般控制IC在定頻下也作抖頻，故變換器的切換頻率為fs+/-fd。其中fd一般遠低于載波頻率。

開(kāi)關(guān)頻率的影響：

開(kāi)關(guān)頻率決定了變換器的體積、質(zhì)量、響應速度與效率等特性。通過(guò)分析開(kāi)關(guān)管開(kāi)通與關(guān)斷兩個(gè)狀態(tài)，可以得到如下圖所示的二極管兩端的電壓并經(jīng)過(guò)傅里葉展開(kāi)后可得到一個(gè)直流分量與若干個(gè)整數倍開(kāi)關(guān)頻率的諧波。根據變換器輸出電壓與二極管兩端的電壓可知兩者之間的轉換函數：

根據傳遞函數可知，LC在這邊起到了一個(gè)低通濾波器的作用并且低通濾波器的截止頻率遠低于載波頻率。因此，二極管兩端電壓經(jīng)過(guò)LC濾波器之后只剩下了直流分量。最終使得變換器的輸出電壓接近于直流電壓。當載波頻率足夠高的時(shí)候輸出就是一個(gè)完美的直流電壓，同時(shí)也可以相對提高LC濾波器的截止頻率，因此L與C的數值相對可以減小，從而降低變換器的體積、質(zhì)量等特性。從電壓電流的響應速度方面而言，較高的開(kāi)關(guān)頻率與較低的電感與電容可以提高系統的開(kāi)路控制帶寬，勁兒提高閉環(huán)系統的響應速度。但是高頻的切換頻率也會(huì )帶了散熱問(wèn)題以及EMI問(wèn)題。為了處理散熱問(wèn)題需要增加散熱片以及風(fēng)扇就會(huì )增大產(chǎn)品體積，同時(shí)高頻切換會(huì )提高電路瞬間電壓電流的變化率從而需要在更小的體積內處理EMI問(wèn)題。

降壓式變換器工作原理：

降壓變換器的電感電流平均值與負載電流相等，當負載電流變小直到電感電流在該周期結束的時(shí)候恰好等于0，此時(shí)電感電流與負載電流分別被稱(chēng)為臨界電感電流與臨界負載電流。其工作過(guò)程中的波形圖如下：

根據實(shí)際應用中輸入電壓或輸出電壓固定從而計算電感電流在占空比為多少時(shí)達到最大值點(diǎn)以及最大值的大小。

L與C的設計：

電感L設計：

以臨界電感電流工作狀態(tài)設計，當負載電流高于臨界電流時(shí)，變換器便工作在連續模式下。

若輸入電壓為定值，

若輸出電壓為定值，

電容C設計：

輸出電容紋波是由于電感電流對電容充放電造成的。該紋波成分包含理想電容本身充放電造成的紋波與電流流經(jīng)電容等效串聯(lián)電阻造成問(wèn)紋波。

若電壓紋波成分主要由等效串聯(lián)電阻造成，則電容的設計必須先根據等效串聯(lián)電阻設計，再由等效串聯(lián)電阻計算電容值。

若采用低等效串聯(lián)電阻電容，則電容紋波主要來(lái)自理想電容充放電造成。故：

如果考慮當負載突變電感電流來(lái)不及補充時(shí)，負載電流由電容提供造成短時(shí)間輸出電壓下降或升高，則：

故：

一般情況下以功率變化量為最大功率的0.9倍左右設計電容。

實(shí)驗驗證：

總　結：

經(jīng)過(guò)以上對于降壓變換器中PWM的簡(jiǎn)單介紹我們了解了降壓變換器的參數設計過(guò)程。固緯電子在點(diǎn)力電子教學(xué)方向致力于為老師減少壓力，緩解學(xué)生的學(xué)習壓力，因此開(kāi)創(chuàng )了全新的理論與實(shí)踐相結合的教學(xué)模式，還請各位老師同學(xué)進(jìn)行了解轉發(fā)。

附：為了提供學(xué)生更加豐富的學(xué)習資料，本次我們提供了matlab的仿真文件，感興趣的可以點(diǎn)贊轉發(fā)，在文章下面留言以及聯(lián)系方式或郵箱可以免費提供仿真文件。

仿真效果圖：