一種廣泛應(yīng)用于DC變換器中的調(diào)制方式詳解

電流作為電壓變壓器使用，可替代作為測(cè)試配件出售的注入變壓器，贏得更高的成本效益。 工程實(shí)驗(yàn)室通常配備有網(wǎng)絡(luò)分析儀，但很少配備用于轉(zhuǎn)換器閉環(huán)分析的注入變壓器。Agilent公司出售這種變壓器，作為測(cè)試設(shè)備配件，但是價(jià)格昂貴。Ridley Engineering和Venable公司也出售注入變壓器。這種注入具有出色的性能指標(biāo)，但是價(jià)格也很昂貴。注意，它們的作用僅僅是變壓器。作為另外一種替代方案，你也可以將電流變壓器作為電壓變壓器使用，獲得一個(gè)更具成本效益的注入變壓器。 設(shè)計(jì)時(shí)，最難的參數(shù)是帶寬。一方面，低頻性能需要更大的磁芯和更多的匝數(shù)，這樣會(huì)增大變壓器的物理尺寸。另一方面，高頻性能需要良好的耦合、小尺寸和最少的匝數(shù)。 幸好，電流適合大多數(shù)應(yīng)用場(chǎng)合。

例如，Pulse Engineering公司的PE-51687在鐵氧體磁芯上有一個(gè)100匝的初級(jí)繞組，沒(méi)有次級(jí)繞組。 磁芯上有一個(gè)通孔，用戶(hù)可以用標(biāo)準(zhǔn)導(dǎo)線(xiàn)自己繞制任意匝數(shù)的次級(jí)線(xiàn)圈。這條線(xiàn)同時(shí)也作為待測(cè)電路的一條連接線(xiàn)，并能根據(jù)次級(jí)線(xiàn)圈的匝數(shù)提供一定的驅(qū)動(dòng)電平。 由于構(gòu)建的是電壓變壓器，因此需要控制初級(jí)電壓。

假使變壓器的初級(jí)電抗比網(wǎng)絡(luò)分析儀源電抗高，則給初級(jí)并聯(lián)一個(gè)50電阻，就可正確地端接網(wǎng)絡(luò)分析儀的信號(hào)源。低頻情況下，初級(jí)感抗必須大于從變壓器看過(guò)去的戴維南(Thevenin)等效阻抗(25)。PE-51687的初級(jí)電感為20mH，變壓器可以工作的最低頻率應(yīng)滿(mǎn)足： Xl=2*3.1416*Freq*Lprim。 對(duì)上式變形可以得到：Freq = 25/(6.28*20mH) = 200Hz 200Hz的低頻截止頻率適用于小信號(hào)，但是如果電壓較大，超過(guò)了磁芯的伏秒積指標(biāo)，則會(huì)導(dǎo)致磁芯飽和。PE-51687的初級(jí)伏秒積指標(biāo)為600V*ms (600ms，1V)。因此，驅(qū)動(dòng)電壓也會(huì)限制低端頻率響應(yīng)。 高頻響應(yīng)受限于初級(jí)線(xiàn)圈中的電容。

DC變換器，也稱(chēng)為DC-DC轉(zhuǎn)換器，是一種將直流電壓轉(zhuǎn)換為另一種直流電壓的電力電子設(shè)備。在DC變換器的設(shè)計(jì)和應(yīng)用中，控制方式是至關(guān)重要的，它決定了變換器的性能、效率和穩(wěn)定性。以下將詳細(xì)描述DC變換器的幾種主要控制方式，包括開(kāi)環(huán)控制、閉環(huán)控制、脈寬調(diào)制(PWM)控制、脈沖頻率調(diào)制(PFM)控制以及PWM/PFM混合控制等。

開(kāi)環(huán)控制是DC變換器中最簡(jiǎn)單的控制方式之一。在這種控制方式下，變換器的輸出電壓和電流不經(jīng)過(guò)反饋回路進(jìn)行調(diào)節(jié)，而是直接由控制器根據(jù)預(yù)設(shè)的參數(shù)來(lái)控制開(kāi)關(guān)管的開(kāi)關(guān)狀態(tài)。開(kāi)環(huán)控制的優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本低廉，但由于沒(méi)有反饋機(jī)制，它無(wú)法對(duì)外部擾動(dòng)和負(fù)載變化進(jìn)行實(shí)時(shí)響應(yīng)，因此輸出電壓和電流的穩(wěn)定性較差，波動(dòng)較大。

閉環(huán)控制是相對(duì)于開(kāi)環(huán)控制而言的，它引入了反饋回路來(lái)監(jiān)測(cè)變換器的輸出電壓和電流，并根據(jù)監(jiān)測(cè)結(jié)果調(diào)整開(kāi)關(guān)管的開(kāi)關(guān)狀態(tài)，以實(shí)現(xiàn)更精確的控制。閉環(huán)控制可以消除外部擾動(dòng)和負(fù)載變化對(duì)輸出電壓和電流的影響，提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性。閉環(huán)控制通常包括電壓閉環(huán)控制、電流閉環(huán)控制以及電壓和電流雙閉環(huán)控制等。

脈寬調(diào)制(PWM)是一種廣泛應(yīng)用于DC變換器中的調(diào)制方式。它通過(guò)控制開(kāi)關(guān)管在一個(gè)周期內(nèi)導(dǎo)通和截止的時(shí)間比例(即占空比)來(lái)調(diào)節(jié)輸出電壓和電流。PWM控制具有輸出電壓穩(wěn)定、抗干擾能力強(qiáng)、效率高等優(yōu)點(diǎn)。PWM控制可以分為固定頻率PWM控制和可變頻率PWM控制兩種。

脈沖頻率調(diào)制(PFM)是另一種DC變換器的調(diào)制方式。與PWM控制不同，PFM控制通過(guò)改變開(kāi)關(guān)管的開(kāi)關(guān)頻率來(lái)調(diào)節(jié)輸出電壓和電流，而保持占空比不變。PFM控制具有在輕負(fù)載下功耗低、效率高的優(yōu)點(diǎn)，但在重負(fù)載下可能無(wú)法保持輸出電壓的穩(wěn)定性。因此，PFM控制通常適用于負(fù)載變化范圍較大的應(yīng)用場(chǎng)合。

為了充分利用PWM控制和PFM控制的優(yōu)點(diǎn)，一些DC變換器采用了PWM/PFM混合控制方式。在這種控制方式下，變換器會(huì)根據(jù)負(fù)載情況自動(dòng)切換工作模式：在輕負(fù)載下采用PFM控制以降低功耗;在重負(fù)載下切換到PWM控制以保持輸出電壓的穩(wěn)定性。PWM/PFM混合控制可以提供更高的效率和更好的穩(wěn)定性，但設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)相對(duì)復(fù)雜。

除了上述幾種主要控制方式外，還有一些其他的控制方式也被應(yīng)用于DC變換器中，如滑模控制、模糊控制、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制等。這些控制方式通常具有更高的控制精度和更好的動(dòng)態(tài)響應(yīng)性能，但設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)相對(duì)復(fù)雜，且需要較高的計(jì)算能力和算法支持。

1. 數(shù)字化控制

近年來(lái)，隨著數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)的發(fā)展，數(shù)字化控制逐漸成為DC變換器控制的主流趨勢(shì)。數(shù)字化控制通過(guò)將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)，并利用微控制器(MCU)或數(shù)字信號(hào)處理器(DSP)等數(shù)字控制芯片實(shí)現(xiàn)控制算法，具有控制精度高、靈活性強(qiáng)、易于實(shí)現(xiàn)復(fù)雜控制策略等優(yōu)點(diǎn)。數(shù)字化控制還可以實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)控和故障診斷，提高系統(tǒng)的智能化和可維護(hù)性。

2. 控制算法的優(yōu)化

為了進(jìn)一步提高DC變換器的性能，控制算法的優(yōu)化也是關(guān)鍵之一。傳統(tǒng)的控制算法如PID控制(比例-積分-微分控制)在DC變換器控制中得到了廣泛應(yīng)用，但其參數(shù)整定較為困難，且在某些復(fù)雜工況下可能無(wú)法達(dá)到最優(yōu)控制效果。因此，研究人員提出了許多先進(jìn)的控制算法，如模糊控制、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制、滑?？刂频?。這些算法能夠更好地適應(yīng)系統(tǒng)的非線(xiàn)性和不確定性，提高系統(tǒng)的魯棒性和動(dòng)態(tài)響應(yīng)性能。

3. 軟開(kāi)關(guān)技術(shù)

軟開(kāi)關(guān)技術(shù)是一種用于減少DC變換器中開(kāi)關(guān)損耗和提高效率的技術(shù)。在傳統(tǒng)的硬開(kāi)關(guān)技術(shù)中，開(kāi)關(guān)管在導(dǎo)通和截止時(shí)會(huì)產(chǎn)生較大的電壓和電流重疊，導(dǎo)致較高的開(kāi)關(guān)損耗。而軟開(kāi)關(guān)技術(shù)通過(guò)引入諧振電路或輔助開(kāi)關(guān)管等方式，使開(kāi)關(guān)管在零電壓或零電流條件下進(jìn)行開(kāi)關(guān)動(dòng)作，從而減小開(kāi)關(guān)損耗，提高變換器的效率。

4. 多電平技術(shù)

在高壓大功率DC變換器的應(yīng)用中，單電平結(jié)構(gòu)可能面臨開(kāi)關(guān)管電壓應(yīng)力高、諧波含量大等問(wèn)題。為了解決這些問(wèn)題，多電平技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生。多電平技術(shù)通過(guò)增加變換器的電平數(shù)來(lái)降低每個(gè)開(kāi)關(guān)管承受的電壓應(yīng)力，并減小輸出電壓的諧波含量。常見(jiàn)的多電平拓?fù)浒ǘO管箝位型、飛跨電容型和級(jí)聯(lián)型等。這些拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)各有優(yōu)缺點(diǎn)，需要根據(jù)具體的應(yīng)用場(chǎng)景進(jìn)行選擇和優(yōu)化。

5. 模塊化與標(biāo)準(zhǔn)化

隨著DC變換器應(yīng)用領(lǐng)域的不斷擴(kuò)展和市場(chǎng)規(guī)模的增大，模塊化與標(biāo)準(zhǔn)化成為DC變換器發(fā)展的重要方向。模塊化設(shè)計(jì)可以將DC變換器劃分為多個(gè)獨(dú)立的模塊單元，便于生產(chǎn)、安裝和維護(hù)。同時(shí)，模塊化設(shè)計(jì)還可以提高系統(tǒng)的靈活性和可擴(kuò)展性，滿(mǎn)足不同應(yīng)用場(chǎng)景的需求。標(biāo)準(zhǔn)化則可以促進(jìn)不同廠(chǎng)家和產(chǎn)品之間的互操作性和兼容性，降低系統(tǒng)集成成本和時(shí)間。

隨著電力電子技術(shù)的不斷發(fā)展和新能源產(chǎn)業(yè)的興起，DC變換器作為電力電子系統(tǒng)中的關(guān)鍵設(shè)備之一，其性能和應(yīng)用范圍將不斷拓展。未來(lái)DC變換器的發(fā)展趨勢(shì)可能包括以下幾個(gè)方面：

DC變換器的控制方式多種多樣，每種方式都有其獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)和適用范圍。在選擇控制方式時(shí)，需要根據(jù)具體的應(yīng)用場(chǎng)景和需求進(jìn)行綜合考慮。開(kāi)環(huán)控制簡(jiǎn)單成本低但穩(wěn)定性差;閉環(huán)控制可以提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性;PWM控制具有輸出電壓穩(wěn)定、抗干擾能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn);PFM控制適用于輕負(fù)載下功耗低的場(chǎng)合;PWM/PFM混合控制則可以提供更高的效率和更好的穩(wěn)定性。隨著電力電子技術(shù)的不斷發(fā)展，新的控制方式不斷涌現(xiàn)，為DC變換器的設(shè)計(jì)和應(yīng)用提供了更多可能性。