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(duì)于PTS-800中基本的電路圖拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的學(xué)習(xí)，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?fù)浠A(chǔ)上開(kāi)始對(duì)電路的控制方式進(jìn)行學(xué)習(xí)。本期將針對(duì)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(jié)合探究最大功率點(diǎn)追蹤技術(shù)的學(xué)習(xí)。

PEK-120

降壓式轉(zhuǎn)換器模組

簡(jiǎn) 述：

對(duì)于一個(gè)直流變換器而言，PWM（脈沖寬度調(diào)制）是將控制信號(hào)轉(zhuǎn)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(diào)制波進(jìn)行比較得到一系列等高不等寬的方波信號(hào)作為開(kāi)關(guān)管的觸發(fā)命令。其中開(kāi)關(guān)管導(dǎo)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)將載波頻率隨著負(fù)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(yuǎn)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(yīng)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(shù)倍開(kāi)關(guān)頻率的諧波。根據(jù)變換器輸出電壓與二極管兩端的電壓可知兩者之間的轉(zhuǎn)換函數(shù)：

根據(jù)傳遞函數(shù)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(yuǎn)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(dāng)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(duì)提高LC濾波器的截止頻率，因此L與C的數(shù)值相對(duì)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(yīng)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(tǒng)的開(kāi)路控制帶寬，勁兒提高閉環(huán)系統(tǒng)的響應(yīng)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(nèi)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(fù)載電流相等，當(dāng)負(fù)載電流變小直到電感電流在該周期結(jié)束的時(shí)候恰好等于0，此時(shí)電感電流與負(fù)載電流分別被稱(chēng)為臨界電感電流與臨界負(fù)載電流。其工作過(guò)程中的波形圖如下：

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

L與C的設(shè)計(jì)：

電感L設(shè)計(jì)：

以臨界電感電流工作狀態(tài)設(shè)計(jì)，當(dāng)負(fù)載電流高于臨界電流時(shí)，變換器便工作在連續(xù)模式下。

若輸入電壓為定值，

若輸出電壓為定值，

電容C設(shè)計(jì)：

輸出電容紋波是由于電感電流對(duì)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(shè)計(jì)必須先根據(jù)等效串聯(lián)電阻設(shè)計(jì)，再由等效串聯(lián)電阻計(jì)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(dāng)負(fù)載突變電感電流來(lái)不及補(bǔ)充時(shí)，負(fù)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(shè)計(jì)電容。

實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證：

總　結(jié)：

經(jīng)過(guò)以上對(duì)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(shù)設(shè)計(jì)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(xí)壓力，因此開(kāi)創(chuàng)了全新的理論與實(shí)踐相結(jié)合的教學(xué)模式，還請(qǐng)各位老師同學(xué)進(jìn)行了解轉(zhuǎn)發(fā)。

附：為了提供學(xué)生更加豐富的學(xué)習(xí)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(zhuǎn)發(fā)，在文章下面留言以及聯(lián)系方式或郵箱可以免費(fèi)提供仿真文件。

仿真效果圖：