孫 強，徐嘉成，郭曉鈺，李丹丹，吳亞輝，杜艷紅，呂海英

（1.天津農(nóng)學(xué)院 工程技術(shù)學(xué)院，天津300384；2.國網(wǎng)天津市電力公司寶坻供電分公司，天津301800）

直流斬波系統(tǒng)有體積小、質(zhì)量輕、電路簡單以及效率高等方面的優(yōu)點，因此在便攜式的電子產(chǎn)品、航空航天、電力電子器件以及工業(yè)控制等領(lǐng)域中得到廣泛應(yīng)用[1]。早期的電源一般都是工頻整流線性電源，其體積大、功率小、能量密度低，且效率僅有30%～40%。但隨著現(xiàn)代電力電子器件的發(fā)展，現(xiàn)有的直流斬波系統(tǒng)（DC-DC 開關(guān)電源）以MOSFET為開關(guān)器件，其工作頻率為300～500 kHz。高頻化使開關(guān)電源的效率提高，體積減小，能量密度增大，已經(jīng)成為電源發(fā)展的趨勢，同時高頻化也可使經(jīng)濟效益達到最大化[2-3]。

1 直流斬波系統(tǒng)原理

直流斬波系統(tǒng)是目前電源中最重要的一種，它實現(xiàn)了輸入端一種等級的直流到輸出端另一種等級的直流的轉(zhuǎn)化。本文設(shè)計的直流斬波系統(tǒng)工作流程如圖1 所示，其主要模塊由輸入模塊、輸出模塊、濾波模塊、控制模塊、穩(wěn)壓濾波模塊、采樣反饋模塊組成。本設(shè)計中采用PWM 控制方式，實現(xiàn)了降壓斬波功能。UC3842 是一款性能優(yōu)良的電流控制型脈寬調(diào)制芯片，在電路正常工作后，取樣電路反饋的低壓直流信號會經(jīng)過芯片的2 引腳進入誤差比較放大器中，與其內(nèi)部的基準(zhǔn)電壓進行比較，比較后產(chǎn)生的誤差信號反饋給控制模塊，實現(xiàn)閉環(huán)控制，從而達到穩(wěn)定輸出電壓的目的。

圖1 直流斬波系統(tǒng)工作流程圖

2 直流斬波系統(tǒng)設(shè)計

控制模塊中產(chǎn)生頻率固定的驅(qū)動信號，實現(xiàn)調(diào)脈沖寬度調(diào)制的工作模式，控制MOS 管的通斷，從而調(diào)節(jié)輸出電壓的大小，使輸出電壓趨于穩(wěn)定。芯片的鋸齒波發(fā)生器提供一個恒定的時鐘頻率信號，通過誤差放大器的電壓比較器形成電壓閉，通過電流比較器形成電流閉環(huán)。在比較器的輸入端接入輸出電流的信號和誤差放大器的輸出信號進行比較，來調(diào)節(jié)MOS 管驅(qū)動信號的占空比大小，從而使輸出的電流大小隨著誤差電壓的變化而變化。當(dāng)電源電壓或者是負載變化導(dǎo)致輸出電壓Uo升高時，脈寬調(diào)制器將使占空比減小，在一個周期內(nèi)減少MOS 管的導(dǎo)通時間，從而將輸出電壓的平均值降低，以趨近理想輸出電壓的大小，達到穩(wěn)壓的目的；反之當(dāng)輸出電壓減小時，則使占空比增大，延長周期內(nèi)MOS管的導(dǎo)通時間，使輸出電壓增大。斬波系統(tǒng)原理如圖2 所示。

圖2 直流斬波系統(tǒng)原理圖

當(dāng)電源輸入75 V 的輸入電壓時，經(jīng)過輸入濾波模塊，去掉諧波后進入直流斬波的主電路，當(dāng)MOS 管導(dǎo)通時，電源對負載供電的電流上升，當(dāng)MOS 管關(guān)斷時，通過二極管進行續(xù)流，此時負載的電壓接近于0 V，電流也快速下降，所以在電路中加入電感量L較大的電感。同時為了保護芯片以及功率開關(guān)管，在系統(tǒng)中接入回路將采樣的電壓、電流反饋到控制模塊中，形成一個穩(wěn)定的閉環(huán)系統(tǒng)。

3 斬波占空比計算

直流斬波系統(tǒng)中輸入電壓和輸出電壓的大小關(guān)系主要由控制芯片的占空比和頻率來決定，當(dāng)4 引腳外接的電容Ct經(jīng)過8 引腳提供的Vref給Rt充電至2.8 V，在經(jīng)過UC3842內(nèi)部的一個恒流源Id給Ct放電至1.2 V。在充電時：

將τ=Rt×Ct代入式（1）即可得到：

放電時，由于電容在通過內(nèi)部恒流源放電的同時也在通過Rt充電，所以：

經(jīng)過下列推算：

可以得到頻率公式：

占空比公式為：

由式（5）可以得知，最大占空比只與IDis和Rt的乘積有關(guān)，在IDis恒定的情況下，Rt越大時，最大占空比就越大。充電時間和放電時間的和即為振蕩周期，從而可以計算出振蕩頻率，當(dāng)UC3842 的3 引腳和4 引腳之間加入了RC 補償，那么實際的振蕩頻率會低于計算的振蕩頻率。輸入、輸出電壓波形如圖3 所示。

圖3 輸入、輸出電壓波形

通過圖3 可以看出，在系統(tǒng)輸入+75 V 的直流電壓時，可以輸出+36 V 的直流電壓，且上升時間較快，大約為3 ms。輸出電壓波形較為穩(wěn)定，上升時間快、穩(wěn)態(tài)誤差小，并且超調(diào)量極小，所設(shè)計的直流斬波系統(tǒng)基本符合預(yù)定目標(biāo)。

4 結(jié)論

通過對仿真結(jié)果的分析，本文所設(shè)計的直流斬波系統(tǒng)在可靠、穩(wěn)定地完成所設(shè)定目標(biāo)電壓轉(zhuǎn)換的前提下，具備一定的穩(wěn)定性和抗干擾性，且響應(yīng)較快。該直流斬波系統(tǒng)具有結(jié)構(gòu)簡單、安全可靠、輸出電壓穩(wěn)定、紋波系數(shù)小、電能質(zhì)量好以及轉(zhuǎn)換效率高等優(yōu)點，符合開關(guān)電源發(fā)展趨勢，具有良好的應(yīng)用前景。