【一款基于SMP430單片機控制的半橋式開關電源設計9100字（論文）】

一款基于SMP430單片機控制的半橋式開關電源設計摘要開關電源是一種利用PWM斬波進而控制輸出電壓的一種開關變換器，根據(jù)輸入電壓的不同可分為AC-DC和DC-DC兩大類，其本質(zhì)上都是實現(xiàn)電壓的斬波然后控制占空比已達到控制輸出電壓的目的。開關電源可以利用純模擬器件進行設計，利用開關電源專用控制芯片進行控制，隨著智能化的發(fā)展開關電源已不僅僅局限于模擬控制，數(shù)控電源在現(xiàn)在的開關電源設計中占據(jù)了主導地位，利用單片機以及DSP等數(shù)字控制芯片對開關電源進行控制使得開關電源的設計更具靈活性。本文設計了一款基于SMP430單片機控制的半橋式開關電源，對電路的各部分組成電路進行了分析，繪制了半橋式開關電源的原理圖，利用仿真驗證了設計的開關電源參數(shù)計算的合理性。關鍵詞：DC-DC，半橋，數(shù)控目錄32243摘要 212086第一章緒論 226541.1課題的研究背景及意義 2255811.2開關變換器拓撲的研究現(xiàn)狀 3205671.3本論文主要研究內(nèi)容 512617第二章半橋電路的工作原理 6101322.1系統(tǒng)設計方案 656922.2半橋電路原理 6160902.3半橋電路的閉環(huán)控制 8275652.4本章小結(jié) 139182第三章半橋電路的硬件設計 14264313.1設計指標 1485583.2半橋電路參數(shù)設計 14198003.2.1半橋變壓器設計 14173833.2.2MOSFET管的選取 1551913.2.3輸出濾波電路 16241143.3半橋電路原理圖設計 1724933.3.1主電路設計 17317193.3.2控制電路設計 18217523.3.3驅(qū)動電路設計 19208053.3.4采樣電路設計 20172293.3.5輔助電源設計 20263.4本章小結(jié) 2231219第四章可編程半橋變換器的軟件設計及仿真研究 232194.1系統(tǒng)軟件設計流程 23161904.1.1系統(tǒng)主程序流程 23147064.1.2中斷服務子程序設計 23242424.1.3PI調(diào)節(jié)子程序設計 24224164.2半橋電路仿真研究 2616754.2.1Matlab仿真軟件介紹 26293214.2.2仿真分析 26129784.3本章小結(jié) 2822780第五章總結(jié) 296204致謝 3020697參考文獻 3124024附錄 33第一章緒論1.1課題的研究背景及意義社會整體工業(yè)化的發(fā)展進程異常迅速，社會經(jīng)濟以及科技的發(fā)展需要大量的能源作為支撐[1]。而目前人類大量利用的都是一些地球上已存在的化石能源，主要就是以煤炭和石油為主，這些物質(zhì)可以提供大量的基礎動能，但它們的共同特點就是不可再生，隨著開發(fā)利用的不斷增多，人類也將面臨著無源可采的危險。因此如何提高能源的利用效率是一項很緊迫的任務[2]。對風能以及太陽能的開發(fā)研究在很久之前就已經(jīng)被提上議程，但由于這些新能源是不能夠直接用于生產(chǎn)的，需要經(jīng)過一系列的能源變換后才能被人類使用，因此目前新能源的利用還不夠普及，技術(shù)也不夠成熟。如何高效合理的利用新能源是目前國內(nèi)外都非常關注的研究方向，將新能源的利用普及開來將在很大程度上緩解能源不夠用的問題。諸如風能、太陽能、水能等新能源發(fā)出的電能都具有很強的非線性，這些電能一般不能夠直接被負載所使用的，為了得到適合一般負載供電的電能，必須要在中間加一級或多級的功率轉(zhuǎn)換。國內(nèi)家用負載一般都采用220V交流電壓供電，為了實現(xiàn)穩(wěn)定的交流或直流電壓的輸出，可以采用開關電源進行功率轉(zhuǎn)換。而開關電源的設計離不開PWM電路，利用PWM的開關特性可以實現(xiàn)穩(wěn)定的電壓輸出。PWM技術(shù)的發(fā)展是建立在電力電子器件發(fā)展的基礎上的，通過控制PWM波的占空比可以改變輸出電壓。PWM技術(shù)是電力電子技術(shù)中最基礎的技術(shù)。PWM技術(shù)主要的功能就是可以實現(xiàn)開關管導通和關斷時間的控制從而可以控制輸出側(cè)電壓的平均值達到調(diào)節(jié)輸出電壓的目的。因PWM技術(shù)控制比較簡單和靈活，因此在在電力電子技術(shù)PWM技術(shù)被廣泛使用，PWM技術(shù)既可以用作直流變換器也可以用于交流變頻器設計中，凡是應用電力電子器件的場合下都必須用到PWM調(diào)制技術(shù)。隨著電力電子控制技術(shù)的發(fā)展，PWM控制方法也得到了很大的發(fā)展，目前電力電子領域中掌握的PWM調(diào)制技術(shù)就有十幾種。得益于單片機以及DSP設計的數(shù)字電源高速發(fā)展，通過軟件編程生成PWM變得越來越方便，并且控制起來也相當?shù)撵`活。1.2開關變換器拓撲的研究現(xiàn)狀開關電源變換器可根據(jù)輸入輸出是否共地可分為非隔離和隔離型兩種結(jié)構(gòu)。開關電源變換器可以將輸入的電壓變換為設計所需的直流電壓，在需要可靠穩(wěn)定輸出的場合下開關電源變換器是必須的，開關變換器相較于其他的一些電壓轉(zhuǎn)化變換器具有更加高的效率。在一些大功率設備使用的開關變換器為了進一步提高效率，一般副邊的整流要采用同步整流的方式[4]。

半導體設計的與時俱進很大程度的推動了開關變換器的推動。目前在一些電力轉(zhuǎn)換應用場合下開關電源是首選[5]。開關電源由于采用了高頻變壓器進行功率轉(zhuǎn)換，高頻變壓器相對于工頻變壓器最大的優(yōu)勢就是體積小，采用高頻變換的開關電源體積小，非常適合用于電力轉(zhuǎn)換。

開關變換器按輸入電壓性質(zhì)的不同可分為離線式AC-DC以及模塊化DC-DC變換器兩大類，AC-DC變換器可以直接通過市電的輸入進行電壓轉(zhuǎn)換；DC-DC主要是用在一些通信設備當中的電壓轉(zhuǎn)化，無論是AC-DC還是DC-DC其共同的特點就是高頻小型化。DC/DC變換目前應用最廣的幾種拓撲結(jié)構(gòu)主要包括正反激、推挽以及半全橋等幾種拓撲。幾種變換器拓撲結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)如圖1-1所示。反激變換器的變壓器原副邊同名端的設置使得開關管閉合時輸入的能量存儲在原邊電感中，開關管斷開后能量才由原邊傳向副邊；而其他幾種變換器在開關管閉合時能量直接傳向副邊這在一定程度上避免了變壓器的飽和，使得變換器可以傳遞更多的能量。（a）反激電路拓撲(b)正激電路拓撲推挽變電路拓撲(d)半橋電路拓撲(e)全橋電路拓撲圖1-1幾種常見的高頻隔離型DC/DC變換拓撲常見的幾種拓撲電路的優(yōu)點與缺點如表1-1所示：表1-1常見開關變換器優(yōu)缺點比較電路優(yōu)點缺點應用領域正激變換器電路較簡單，成本低可靠性高，驅(qū)動電路簡單變壓器單相勵磁，利用率低各種中小功率開關電源反激變換器電路非常簡單，成本低，可靠性高，驅(qū)動電路簡單難以達到較大的功率，變壓器單向勵磁小功率和消費電子設備、計算機設備開關電源半橋變換器變壓器雙向勵磁，無變壓器偏磁問題，開關較少，成本低有直通問題，可靠性低，需要復雜的隔離驅(qū)動電路各種工業(yè)開關電源，計算機設備開關電源全橋變換器變壓器雙向勵磁，易達到大功率結(jié)構(gòu)復雜，成本高，可靠性低，需要復雜的多組隔離驅(qū)動電路，有直通和偏磁問題大功率工業(yè)可用的開關電源，焊接電源等數(shù)控電源是電源行業(yè)發(fā)展的必然結(jié)果，傳統(tǒng)模擬控制的電源可操作性比較低，已經(jīng)很難滿足智能化時代的要求。在輸出電壓或電流要求可調(diào)的情況下，用單片機控制顯示更加具有可操作性。數(shù)控電源產(chǎn)品近年來也在不斷增多，已廣泛應用于各大領域，尤其在通信電源以及服務器電源上數(shù)控技術(shù)已經(jīng)相當成熟。在如今智能化信息化的時代，電源技術(shù)必須也要跟上時代的步伐，傳統(tǒng)的電源技術(shù)雖然在性能上比較穩(wěn)定處理速度比較快，但它最致命的弱點是一旦電源拓撲確定下來所有的功能都已經(jīng)定死，很難通過實時的操作改變電源的一些行為。當一些大型的用電設備需要實時監(jiān)控供電狀態(tài)時，數(shù)控電源是必不可少的，通過電源控制部分的MCU將電源的實時信息反映出來，進而控制電源的工作狀態(tài)與用電設備的需求相匹配。1.3本論文主要研究內(nèi)容本文研究了一種基于MSP430單片機控制的半橋開關變換器，介紹了半橋電路的工作原理，并給出了具體的參數(shù)設計和仿真研究，最后介紹了單片機軟件設計的流程。主要研究內(nèi)容如下：第一章介紹了課題的研究背景與意義及開關變換器的研究現(xiàn)狀。第二章介紹了半橋電路的工作原理。第三章對半橋電路的硬件電路進行了詳細的設計，包括元器件參數(shù)的計算以及原理圖的設計。第四章介紹了半橋DC-DC電路的軟件設計及對半橋電路的工作原理進行了仿真驗證。第五章對全文研究進行了總結(jié)和展望。第二章半橋電路的工作原理2.1系統(tǒng)設計方案系統(tǒng)設計框圖如圖2-1所示，輸入端的交流電經(jīng)過整流濾波變?yōu)橹绷麟姡ㄟ^半橋電路將輸入直流電逆變?yōu)榉讲ń涣麟姡S后通過高頻變壓器將電壓降低，降壓后的電壓經(jīng)過后級的整流濾波，輸出比較穩(wěn)定的直流電壓。控制電路主要起到穩(wěn)定輸出電壓的作用，經(jīng)過單片機采集輸出電壓和電流經(jīng)過PI運算后得到驅(qū)動信號用來驅(qū)動半橋電路的兩只開關管。圖2-1半橋電路結(jié)構(gòu)框圖2.2半橋電路原理半橋式DC-DC變換器是基于BUCK電路設計而成的一種隔離型雙管降壓拓撲。半橋式開關變換器能傳輸?shù)哪芰勘绕胀ǖ腂UCK多，只需要兩只開關管就可以構(gòu)成板橋變換器。在中小功率應用場合下比較適合采用半橋拓撲。下邊就對半橋DC-DC變換器的工作原理進行分析。為了對半橋電路進行比較直觀的分析這里將電路的一些參數(shù)設為理想化模型：（1）半橋電路的MOS開關和輸出整流二極管為理想器件。半導體的損耗為0。（2）半橋電路的輸出LC濾波器為理想器件，無阻尼。（3）輸出電壓紋波忽略。半橋變換器的拓撲結(jié)構(gòu)如圖2-2所示：圖2-1半橋式DC-DC變換器基本電路圖圖中的半橋開關電源的輸入端接有兩個串聯(lián)的電容，這兩個電容的作用是抑制變壓器的偏磁防止變壓器飽和，電容接成串聯(lián)的形式，使得一只開關管開通時另一只開關管承受的電壓為電源電壓的一半。上橋臂開關管開通時電源電壓的一半加在變壓器原邊線圈上，開關管流過與負載成比例的電流。變壓器原邊此時承受正相電壓，大小為電源電壓一半，經(jīng)過一段時間后開關管關斷，變壓器原邊線圈的電流通過下橋臂的開關管并聯(lián)二極管續(xù)流，此電流將給母線串聯(lián)電容放電，直到電容上的電壓被放光為止。此時將下橋臂的開關管開通，變壓器原邊線圈此時承受反向的電壓，且大小仍然為輸入電源電壓的一半，原邊的電流此時也是反向的。當導通時，副邊繞組承受正向電壓，二極管在正向電壓的激勵下開始導通，此時變壓器副邊電路等效于Buck電路拓撲，輸出端的電感起到了降壓的作用。當開關管關斷后變壓器原副邊電壓都為0。導通后副邊半波整流的另一只二極管導通，負載上的電流與電壓方向在電感作用下連續(xù)工作，輸出方波電壓經(jīng)過和構(gòu)成的濾波環(huán)節(jié)產(chǎn)生穩(wěn)定的輸出電壓。如圖2.2圖2-2原邊開關管電壓及輸出電壓波形2.3半橋電路的閉環(huán)控制為了使半橋電路能夠得到穩(wěn)定的輸出以及有較快的動態(tài)響應，需要對半橋電路的輸出進行控制，常用的控制方法為電壓閉環(huán)控制[8]，PI控制示意圖如圖2-8所示。圖2-8PID類控制器的基本結(jié)構(gòu)PI控制器可用下式表示其中,分別為比例環(huán)節(jié)參數(shù)和積分環(huán)節(jié)參數(shù)。電壓環(huán)的傳遞函數(shù)框圖如圖2-9所示，框圖中的增益相乘就能得到輸出到輸入的總的傳遞函數(shù)。iLiL*-+GvUo*iLUoG’i(S)(1/SC)//Rc圖2-9電壓環(huán)傳遞函數(shù)框圖根據(jù)傳遞函數(shù)得到的電壓環(huán)的幅頻特性伯德圖如圖2-10所示。圖2-10電壓環(huán)的幅頻特性伯德圖上圖中的曲線3為最環(huán)路補償最理想的幅頻特性曲線。在進行環(huán)路補償設計之前先推導出閉環(huán)的傳遞函數(shù)為，（2-2）其伯德圖如下，圖2-11電壓閉環(huán)傳函伯德圖在電壓環(huán)的第二個極點之前的閉環(huán)增益可等效為單位增益，并且相角沒有位移，因此在設計電壓外環(huán)時可以不用考慮電流環(huán)對環(huán)路增益以及相位移的影響，而在設計電流環(huán)的時候電壓環(huán)的影響是不可忽略的。電壓環(huán)未加入補償時，電路的開環(huán)傳遞函數(shù)為（2-3）該開環(huán)傳遞函數(shù)的伯德圖如圖2.12所示。圖2-12電壓開環(huán)傳遞函數(shù)Bode圖從圖2-12可以看出傳遞函數(shù)的幅頻特性含有一個極點，假設變換器的輸出濾波電容為90uF，輸出負載為純阻性，電阻值為30Ω，則極點頻率為（2-4）設電容的ESR為0.01Ω，則零點頻率為（2-5）根據(jù)傳遞函數(shù)中的零極點個數(shù)可設計補償網(wǎng)絡傳函形式：（2-6）補償網(wǎng)絡的零極點頻率具體參數(shù)需要通過Simulink仿真，觀察輸出電壓和電感電流波形找到滿足電路輸出要求的參數(shù)。在這里，取，，。作出該補償網(wǎng)絡的幅頻與相頻特性曲線圖。圖2-13電壓環(huán)補償網(wǎng)絡傳函伯德圖加入補償網(wǎng)絡后，整個電路系統(tǒng)的開環(huán)傳函，其特性曲線如下。圖2-14系統(tǒng)總的開環(huán)傳函2.4本章小結(jié)本章主要介紹了半橋開關電源的工作原理，半橋開關電源是在buck電路的基礎上演變而來的，因此本節(jié)首先介紹了buck降壓電路的工作原理，介紹分析了隔離型半橋電路的工作原理，并對半橋電路的閉環(huán)控制進行了幅頻特性分析和補償設計。第三章半橋電路的硬件設計3.1設計指標輸入電壓范圍：AC90-264V輸出直流電壓：15-30V額定輸出電流范圍：1A開關頻率：f=38KHZ額定功率：30-60W轉(zhuǎn)換效率：>80%3.2半橋電路參數(shù)設計半橋電路的參數(shù)設計主要包括變壓器的設計、功率半導體器件的選擇以及輸出濾波器的計算。本章將對電路中各個部分的參數(shù)設計進行詳細的分析。3.2.1半橋變壓器設計原邊繞組匝數(shù)為：(3-1)式中E為輸入端電壓最大值的一半，D為開關管的占空比，Ae為磁芯的截面積（cm2），Bm為允許的最大磁感應強度（G），Br是剩余磁感應強度（G）。變壓器的磁場強度不能太大，為了不使變壓器發(fā)生飽和，磁場強度H需滿足：(3-2)電路中的原邊線圈磁化電流，lc是鐵芯平均磁路長度（cm），Lp是原邊線圈勵磁電感。輸入功率最大值，對照功率磁芯選擇表，可選擇EE55磁芯。開關周期為了防止開關管直通，將占空比D設為0.4，則取=為防止變壓器飽和在選擇最大磁通密度時需要選擇的低一點，這里取=0.3T，EE55磁芯中心柱的面積為340，則變壓器原邊線圈匝數(shù)為：匝，取為13匝則次級主繞組匝數(shù)=44.1匝，取為44匝3.2.2MOSFET管的選取MOSFET關斷時峰值電壓的計算

MOSFET關斷時峰值電壓由下式?jīng)Q定：（3-3）在式子中，──布線電感引起的尖峰電壓，取=150V；──安全系數(shù)，取1.2；其中V,代入式（3-3），得：628V（3-4）漏極額定電流的計算考慮到交流輸入電源的波動以及整流濾波的效果，直流側(cè)電壓最小值可由下式?jīng)Q定：(3-5)當輸入電源降至額定電壓的85%時，直流側(cè)最小電壓為：(3-6)假設輸出30V電壓時電流過載能力為2.5倍的額定電流，則直流側(cè)的最大平均電流為：7.4A(3-7)則單個MOSFET的最大平均電流為輸入電流平均值的一半，即3.7A。考慮到一定的安全裕量，開關管的最大電流取理論計算值的兩倍。綜合上述計算，選取MOSFET為SGSP479。3.2.3輸出濾波電路半橋電路的輸出濾波電感值大小可按公式計算：（3-8）式中，為輸入電壓的最大值，這里取264V；為變換器額定輸出電壓；==3.72(3-9)為紋波電流，紋波電流的紋波系數(shù)取0.25，為額定電流2.5A。則200uH(3-10)輸出濾波電容將輸出端的低頻紋波抑制在一定的值范圍內(nèi)，電容的容值越大則等效串聯(lián)電阻（ESR）越小，輸出紋波電壓也越小。但電容的選擇也不能只考慮輸出紋波的抑制，由于輸出端電容在反饋補償系統(tǒng)中有零點產(chǎn)生，電容值和ESR對環(huán)路中的零極點有很大的影響，。最小的輸出電容可通過以下公式求得：（3-9）式中，──=0.25，為設計輸出電流2.5A；──允許輸出的最大電壓的紋波峰-峰值，取2V；──工作頻率（HZ）。所以，=95.56（）實際可以選擇稍大一點的典型電容值，如220uF的鋁電解結(jié)電容。3.3半橋電路原理圖設計3.3.1主電路設計半橋主電路如圖3-1所示，輸入交流電壓經(jīng)過整流濾波后變?yōu)橹绷麟姡绷麟娊?jīng)過半橋電路的上下管逆變后輸出交流方波，該交流方波通過高頻變壓器降壓后經(jīng)變壓器副邊的整流濾波后輸出低壓直流電。輸出端利用采樣電阻進行電流采樣。圖3-1半橋電路主電路圖3.3.2控制電路設計設計的數(shù)字式半橋電路采用單片機MSP430進行控制，MSP430最小系統(tǒng)原理圖如圖3-2所示，控制電路主要包括時鐘和復位電路、LED顯示電路、電源濾波電路和過溫保護電路。時鐘復位電路采用一片24MHZ的晶振作為主頻，電源濾波電路主要起到穩(wěn)定供電電源電壓以及濾除高頻干擾信號的作用，過溫保護電路利用PTC電阻檢測環(huán)境溫度，發(fā)生過溫時單片機將觸發(fā)保護。圖3-2MSP430最小系統(tǒng)電路3.3.3驅(qū)動電路設計半橋電路的兩只開關管沒有共地，因此驅(qū)動需要相互隔離，本設計采用IR2110芯片作為驅(qū)動芯片，IR2110系列芯片由于采用了自舉電路，使得一片IR2110可以同時驅(qū)動全橋電路的同一橋臂上下管，且IR2110可以共用同一電源，因此，IR2110十分適合半橋電路的驅(qū)動。驅(qū)動電路原理圖如圖3-3所示，單片機產(chǎn)生的兩路PWM經(jīng)過IR2110后輸出兩路互補的PWM信號驅(qū)動半橋電路的兩只開關管。圖3-3IR2110驅(qū)動電路3.3.4采樣電路設計采樣電路主要指半橋電路的輸出電壓電流采樣，輸出電壓電流經(jīng)過采樣后單片機內(nèi)部對采樣信號進行處理，進行PI調(diào)節(jié)和過壓過流保護判斷。電壓檢測與調(diào)理電路電路如圖3-4所示，圖中Va接電阻分壓的輸出端。輸出電壓采樣信號首先經(jīng)過一階跟隨器U1A進行電壓跟隨，增加運放的輸入阻抗，減小輸出阻抗，以提高系統(tǒng)的驅(qū)動和帶負載能力；U2B為一反相放大器，用以將采樣的的交流信號抬升至DSPF2812能夠識別的電壓信號；輸出端二極管D7、D8可以將電壓鉗位于3.3V，以免瞬間高電壓損壞DSP。圖3-4電壓檢測與調(diào)理電路電流檢測與調(diào)理電路如圖3-5所示，其中Ia接電流采樣電阻的輸出端，電流信號經(jīng)電阻R23后輸出電壓信號，然后經(jīng)過與電壓檢測相同的調(diào)理電路。圖3-5電流檢測與調(diào)理電路3.3.5輔助電源設計由于電路中控制芯片的供電電壓一般在30V以下，而直流輸入端電壓比較高不能直接給控制芯片供電，因此需要設計輔助電源來給芯片供電。輔助電源一共有三路，電路如圖3-6所示，15V輔助電源主要利用降壓芯片LM2596進行電壓轉(zhuǎn)換，該電路為典型的buck降壓電路，芯片LM2596內(nèi)部集成了功率MOSFET。通過設置反饋電阻R80,R81的值可以達到改變輸出電壓的目的。5V輸出輔助電源利用三端集成穩(wěn)壓器78M05設計，該芯片可以輸出穩(wěn)定的5V電壓，芯片內(nèi)部為線性電源結(jié)構(gòu)。3.3V輸出輔助電源采用三端集成穩(wěn)壓芯片AMS1117設計，該芯片同樣是線性電源結(jié)構(gòu)，可以輸出較為穩(wěn)定的3.3V電壓。圖3-6(a)15V輸出輔助電源圖3-6(b)5V輸出輔助電源圖3-6(c)3.3V輸出輔助電源圖3-6輔助電源電路3.4本章小結(jié)本章主要研究了半橋電路的參數(shù)設計，包括變壓器的設計，電感量的計算以及功率器件的選取以及輸出電容的選取。最后進行了原理圖設計，介紹了主電路和控制電路的各部分電路工作原理。第四章可編程半橋變換器的軟件設計及仿真研究本章將對研究的數(shù)字式半橋電路進行軟件設計，軟件設計主要是邏輯控制和數(shù)據(jù)處理，通過改變采樣的數(shù)字量送入到單片機中，單片機根據(jù)設定的算法調(diào)節(jié)輸出PWM的占空比，占空比的改變使得輸出電壓的平均值不斷改變，穩(wěn)定輸出電壓。4.1系統(tǒng)軟件設計流程4.1.1系統(tǒng)主程序流程系統(tǒng)的主程序流程圖如圖4-1所示，整個程序由主程序與中斷子程序組成，主程序主要完成寄存器、時鐘、中斷向量、A/D轉(zhuǎn)換和IO口的的配置和初始化。圖4-1主程序流程圖4.1.2中斷服務子程序設計中斷服務子程序如圖4-2所示，中斷由A/D轉(zhuǎn)換來觸發(fā)，在中斷子程序里執(zhí)行PI調(diào)節(jié)子程序，最后通過運算實現(xiàn)PWM信號的輸出。圖4-2中斷服務子程序、4.1.3PI調(diào)節(jié)子程序設計當系統(tǒng)偏差較大時，PI積分項累加會出現(xiàn)飽和現(xiàn)象，引起輸出控制量增大，甚至會造成系統(tǒng)振蕩。為了避免飽和以及控制量不超出允許范圍，采用具有限幅和抑制積分飽和作用的PI控制器。其控制算法框圖如圖4-3所示：圖4-3PI控制算法框圖根據(jù)圖4-3，PI算法可表示為：(4-1)(4-2)(4-3)式中，為誤差變量，為PI的比例系數(shù)，為積分時間常數(shù)，為限幅之前的輸出變量，為限幅之后的輸出變量，為防飽和系數(shù)。將式(4.1)～(4.3)各式離散化，可得：(4-4)(4-5)(4-6)式中為開關周期。PI算法流程圖如圖4-4所示。圖4-4PI算法流程圖4.2半橋電路仿真研究4.2.1Matlab仿真軟件介紹Matlab是一款很強大的仿真軟件，其涉及到工業(yè)生產(chǎn)和航天航空等各個領域。由于其強大的運算能力和執(zhí)行速度，這款軟件在數(shù)學模型等的處理上非常合適。在電力電子領域MATLAB有一款simulink模塊，該模塊可以用來仿真各種電力電子拓撲結(jié)構(gòu)，并且還可以完成各種反饋控制模塊的搭建，simulink中有很多集成的模塊，大大的方便的整個電路拓撲模型的搭建。本設計利用simulink對研究的可編程半橋開關電源進行仿真。4.2.2仿真分析半橋電路仿真模型如圖4-5所示。模型中變壓器輸入側(cè)的電容為隔直電容，防止電路中變壓器出現(xiàn)偏磁的現(xiàn)象。半橋電路的副邊接成半波整流的結(jié)構(gòu)。可編程開關電源可以將輸出電壓在一定的范圍內(nèi)變化，本設計設置輸入電壓為220V交流電，輸出電壓為15-30V可變直流電壓，單片機通過改變輸出電壓采樣的參考值來改變輸出電壓，參考值的改變在仿真中可以模擬。首先將輸出電壓的參考值設置18V圖4-5半橋電路仿真模型該仿真模型的輸出電壓波形如圖4-6所示，從波形圖中可以看出該電路的輸出電壓在很短的時間內(nèi)就上升到40V左右，然后電壓就穩(wěn)定在設定的18V左右，電路開通瞬間有個電壓過沖這是由電路中的寄生參數(shù)引起的，實際調(diào)試電源時可以通過調(diào)試PI參數(shù)使得過沖時間盡量縮短，提高電路的動態(tài)響應。圖4-618V輸出電壓波形將輸出電壓設置為30V，圖4-7為輸出電壓為30V的波形，從波形可以看出當輸出電壓由18V調(diào)為30V電源的輸出電壓仍可以保持穩(wěn)定狀態(tài)，證明了電壓閉環(huán)控制具有穩(wěn)定輸出電壓的功能。圖4-6輸出電流波形4.3本章小結(jié)本章主要對設計的可編程半橋開關電源的的軟件設計流程進行了介紹，包括系統(tǒng)的主程序、中斷服務子程序以及PI控制程序。利用MATLAB仿真軟件對設計的半橋式開關電源進行了仿真研究。第五章總結(jié)AC-DC電路大都采用隔離型的開關電源拓撲，其中根據(jù)功率大小可分為反激、正激、半橋以及全橋幾種。本設計選取了一種適用于中小功率應用的半橋電路作為研究對象。設計了一款輸出15-30V可調(diào)的數(shù)控半橋開關電源，本文首先對這種經(jīng)典方案進行了分析，接著介紹了半橋電路的工作原理，然后對整個變換器進行了參數(shù)計算，最后對設計的數(shù)字式半橋開關電源的軟件設計進行了介紹，并通過仿真驗證了理論的正確性。半橋式開關電源變換器結(jié)構(gòu)簡單，原邊開關管電壓應力小，在中小功率場合有著廣泛的應用范圍。仿真結(jié)果表明它滿足了各項穩(wěn)態(tài)要求，具有一定的實用性。但是由于一些參數(shù)考慮過于理想化，沒有考慮漏磁感、電容內(nèi)阻等諸多因素的影響，今后還需要在這方面進行更多的研究。另一方面本設計的半橋開關變換器采用的是硬開關拓撲，因此開關損耗比較大，且變壓器的鐵損也比較大；展望下一步研究為提高變換器的效率，將對軟開關拓撲的半橋電路進行研究。參考文獻[1]MarcoSoldan.EISeguodo,CA(US).BRIDGE-LESSBoost(BLB)PowerFactorCorrectionTopologyControlledWithOneCycleControl[P].PatentNo.US7,164,591.InternationalRectifierCorp.2007.[2]R.Haghi,M.R.Zolghadri.DesignofaBridgelessPFCwithLine-ModulatedFixedOff-TimeCurrentControlandZero-VoltageSwitching[C].IEEEInternationalconf.onPowerEnergy,2010,129-134.[3]M.R.Sahid,A.H.M.Yatim,etal.AbridgelessCukPFCconverter[C].IEEEAppliedPowerElectron.Colloquium(IAPEC),2011,81-85.[4]B.Su,J.M.ZhangandZ.Y.Lu.Totem-PoleBoostBridgelessPFCRectifierWithSimp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