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摘 要：本文设计了一种多功能输出开关电源，并论述了其主电路设计思路、基本控制策略以及如何实现多功能输出，同时分析了电源输出过程中可能出现的问题和解决方案。
关键词：多功能输出；开关电源；调制比；逆变器
中图分类号：TN86 文献标识码：A 文章编号：2096-4706（2018）03-0034-03
Design of A Multifunction Output Switching Power Supply
DENG Xiaochu
（Hubei Polytechnic Institute，Xiaogan 432000，China）
Abstract：In this paper，a multi-function output switching power supply is designed. The mail circuit design idea，basic control strategy and how to realize multifunction output are discussed，and the possible problems and solutions in power output are analyzed.
Keywords：multifunctional output；switch power supply；modulation ratio；inverter
0 引 言
隨着电力电子技术的不断发展，高频开关电源以其高效率、高性能、低重量和小体积的特点，在以往使用线性电源的场合中也得到了日益广泛的应用。在一些需要提供调节范围广、纹波低的交直流电压和电流的工业场合迫切需要一种多功能、宽输出的开关电源，用以替代多台单一功能电源的传统模式。多功能、宽输出的开关电源不但体积小、重量轻，而且经济实用，工作稳定性也可以得到保证。
本文采用开关电源技术和数字控制方法设计了一种交直流多功能输出电源。本电源系统输出范围宽，其中电压源输出范围为1～250V，电流源输出范围为1～30A，工作频率在0～400Hz。
1 主电路设计
电源系统主电路如图1所示。OUT1端和OUT2端分别为电压源输出端和电流源输出端。主电路均采用两级结构实现电压源和电流源的功能。为了稳定直流母线电压并有效隔离输入级和输出级，直流电源转换级采用半桥电路。为了能用于大功率场合，逆变电源部分采用常见的全桥逆变电路。输出端的高频纹波采用两级LC滤波器滤除。共模抑制器Lc1的作用是隔离电源前后级之间的干扰，Lc2和Lc3的作用是抑制负载上通过的高频共模分量。
2 具体控制原理
具体控制原理如图2所示。采用SG3525芯片实现DC/DC级的控制。电路采用了电压、电流双环控制消除输出谐波。采用专用驱动芯片IR2110组成驱动电路，两路SPWM信号分别驱动四个开关管。反馈电压Vf和反馈电流If的幅值是受限制的，一旦反馈电压或反馈电流大于阈值，保护电路就会关闭驱动信号。两路SPWM信号之间的死区设定目的是防止上下桥臂互通。
图2 具体控制原理图
3 多功能输出
电源系统采用同一控制电路，利用继电器切换到电压源模式和电流源模式。
电源系统工作在电压源模式时，继电器K1闭合，继电器K2断开。如果输入基准信号为交流正弦信号，则输出交流电压信号；如果输入基准信号为直流电平，则输出直流电压信号。
电源系统工作在电流源模式时，继电器K1断开，继电器K2闭合，此时电压调节环起跟随器的作用。如果输入基准信号为交流正弦信号，则输出交流电流信号；当输入基准信号为直流电平，则输出直流电流信号。
继电器K3的作用是切换电压源驱动信号和电流源驱动信号。在电压源工作模式时负责断开电流源的前级，在电流源工作模式时负责断开电压源的前级，避免互相干扰。
4 输出中可能出现的问题及解决方案
4.1 PI调节器输出限幅
为防止控制电路出现过调制的情况，同时限制SPWM信号的最大和最小占空比，提高工作可靠性，可以在PI调节器A2的输出端增加二极管限幅电路。
4.2 消除输出电压削顶现象
三角波不对称在与PI调节器输出信号进行比较时会出现单边削顶现象。要消除这种现象，就是要确保三角波的对称性。一是选用低偏压、低噪声的精密运算放大器，二是采用纠偏消除直流偏置，以确保三角波的对称性。
5 电流源母线电容的选取
逆变器输入电流会产交流分量和高频分量。如果这些高频分量过大，需要母线提供很大的高频纹波电流。为了满足后级高频纹波电流要求以及减小后级高频分量对前级的影响，选取电流源母线电容时，要求电解电容要尽量大，而且性能要优越。
6 电路实验波形
6.1 电压源工作模式
电压源工作模式满载输出时的波形如图3所示，其中输出交流电压的有效值设定为200V。波形总谐波失真率小于2%。
6.2 电流源工作模式
电流源工作模式满载输出时的波形如图4所示，其中输出交流电流的有效值设定为30A。波形总谐波失真率小于1%。
7 结 论
本文设计了一种多功能宽范围输出开关电源，并论述了其主电路基本结构、基本控制原理和如何实现多功能输出。还对电源输出过程中可能出现的问题进行了充分预计，并提出相应的解决方案，最后通过试验验证了以上设计。
参考文献：
[1] 丁道宏.国内外开关电源的发展展望 [C].华东地区首届电源技术研讨会论文集，2000：1-5.
[2] 林渭勋.现代电力电子电路 [M].杭州：浙江大学出版社，2002.
[3] 张占松，蔡宣三.开关电源的原理与设计 [M].北京：电子工业出版社，1999.
[4] 魏伟，胡玮，魏岚婕.多功能开关电源的研究 [J].电气应用，2017，26（10）：48-50.
[5] 马杰.DC/DC数控电源中降低输出纹波的研究 [D].杭州：浙江大学，2003.
作者简介：邓小楚（1980-），男，湖北武汉人，讲师，硕士研究生。研究方向：电气控制技术。
关键词：多功能输出；开关电源；调制比；逆变器
中图分类号：TN86 文献标识码：A 文章编号：2096-4706（2018）03-0034-03
Design of A Multifunction Output Switching Power Supply
DENG Xiaochu
（Hubei Polytechnic Institute，Xiaogan 432000，China）
Abstract：In this paper，a multi-function output switching power supply is designed. The mail circuit design idea，basic control strategy and how to realize multifunction output are discussed，and the possible problems and solutions in power output are analyzed.
Keywords：multifunctional output；switch power supply；modulation ratio；inverter
0 引 言
隨着电力电子技术的不断发展，高频开关电源以其高效率、高性能、低重量和小体积的特点，在以往使用线性电源的场合中也得到了日益广泛的应用。在一些需要提供调节范围广、纹波低的交直流电压和电流的工业场合迫切需要一种多功能、宽输出的开关电源，用以替代多台单一功能电源的传统模式。多功能、宽输出的开关电源不但体积小、重量轻，而且经济实用，工作稳定性也可以得到保证。
本文采用开关电源技术和数字控制方法设计了一种交直流多功能输出电源。本电源系统输出范围宽，其中电压源输出范围为1～250V，电流源输出范围为1～30A，工作频率在0～400Hz。
1 主电路设计
电源系统主电路如图1所示。OUT1端和OUT2端分别为电压源输出端和电流源输出端。主电路均采用两级结构实现电压源和电流源的功能。为了稳定直流母线电压并有效隔离输入级和输出级，直流电源转换级采用半桥电路。为了能用于大功率场合，逆变电源部分采用常见的全桥逆变电路。输出端的高频纹波采用两级LC滤波器滤除。共模抑制器Lc1的作用是隔离电源前后级之间的干扰，Lc2和Lc3的作用是抑制负载上通过的高频共模分量。
2 具体控制原理
具体控制原理如图2所示。采用SG3525芯片实现DC/DC级的控制。电路采用了电压、电流双环控制消除输出谐波。采用专用驱动芯片IR2110组成驱动电路，两路SPWM信号分别驱动四个开关管。反馈电压Vf和反馈电流If的幅值是受限制的，一旦反馈电压或反馈电流大于阈值，保护电路就会关闭驱动信号。两路SPWM信号之间的死区设定目的是防止上下桥臂互通。
图2 具体控制原理图
3 多功能输出
电源系统采用同一控制电路，利用继电器切换到电压源模式和电流源模式。
电源系统工作在电压源模式时，继电器K1闭合，继电器K2断开。如果输入基准信号为交流正弦信号，则输出交流电压信号；如果输入基准信号为直流电平，则输出直流电压信号。
电源系统工作在电流源模式时，继电器K1断开，继电器K2闭合，此时电压调节环起跟随器的作用。如果输入基准信号为交流正弦信号，则输出交流电流信号；当输入基准信号为直流电平，则输出直流电流信号。
继电器K3的作用是切换电压源驱动信号和电流源驱动信号。在电压源工作模式时负责断开电流源的前级，在电流源工作模式时负责断开电压源的前级，避免互相干扰。
4 输出中可能出现的问题及解决方案
4.1 PI调节器输出限幅
为防止控制电路出现过调制的情况，同时限制SPWM信号的最大和最小占空比，提高工作可靠性，可以在PI调节器A2的输出端增加二极管限幅电路。
4.2 消除输出电压削顶现象
三角波不对称在与PI调节器输出信号进行比较时会出现单边削顶现象。要消除这种现象，就是要确保三角波的对称性。一是选用低偏压、低噪声的精密运算放大器，二是采用纠偏消除直流偏置，以确保三角波的对称性。
5 电流源母线电容的选取
逆变器输入电流会产交流分量和高频分量。如果这些高频分量过大，需要母线提供很大的高频纹波电流。为了满足后级高频纹波电流要求以及减小后级高频分量对前级的影响，选取电流源母线电容时，要求电解电容要尽量大，而且性能要优越。
6 电路实验波形
6.1 电压源工作模式
电压源工作模式满载输出时的波形如图3所示，其中输出交流电压的有效值设定为200V。波形总谐波失真率小于2%。
6.2 电流源工作模式
电流源工作模式满载输出时的波形如图4所示，其中输出交流电流的有效值设定为30A。波形总谐波失真率小于1%。
7 结 论
本文设计了一种多功能宽范围输出开关电源，并论述了其主电路基本结构、基本控制原理和如何实现多功能输出。还对电源输出过程中可能出现的问题进行了充分预计，并提出相应的解决方案，最后通过试验验证了以上设计。
参考文献：
[1] 丁道宏.国内外开关电源的发展展望 [C].华东地区首届电源技术研讨会论文集，2000：1-5.
[2] 林渭勋.现代电力电子电路 [M].杭州：浙江大学出版社，2002.
[3] 张占松，蔡宣三.开关电源的原理与设计 [M].北京：电子工业出版社，1999.
[4] 魏伟，胡玮，魏岚婕.多功能开关电源的研究 [J].电气应用，2017，26（10）：48-50.
[5] 马杰.DC/DC数控电源中降低输出纹波的研究 [D].杭州：浙江大学，2003.
作者简介：邓小楚（1980-），男，湖北武汉人，讲师，硕士研究生。研究方向：电气控制技术。