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PWM技术是如何控制电源转换器的?

2023-08-18 14:52:12 Giovanni Di Maria 阅读:
电源转换器控制在优化电源转换系统的整体性能方面起着至关重要的作用。通过恰当的控制,可以最大限度地提高电源转换器的效率,减少能量损失并延长元器件寿命。通过设计精密的控制算法,可以在保持电源转换器输出电压和电流恒定的同时,让电源转换得到高效、最佳地管理。

电源转换器控制在优化电源转换系统的整体性能方面起着至关重要的作用。通过恰当的控制,可以最大限度地提高电源转换器的效率,减少能量损失并延长元器件寿命。通过设计精密的控制算法,可以在保持电源转换器输出电压和电流恒定的同时,让电源转换得到高效、最佳地管理。ubGednc

电源转换器控制的一个重要方面是能够适应负载条件和电源特性的动态变化。这样的话无论电力需求或环境条件如何变化,电源转换器都能够提供稳定一致的输出。此外,电源转换器控制还可以包括许多高级功能,例如输出波形调整、谐波失真补偿和电能质量管理。这些功能使其能适应应用的特定需求,并确保可靠、高质量的供电。ubGednc

电源转换器控制领域的研究和发展不断带来新技术和更先进的算法。高级数字控制器的使用,与基于机器学习的智能控制算法相结合,为进一步提高电力电子转换器的性能开辟了新的视角。脉冲宽度调制(PWM)技术被广泛用于控制电源转换器。这种控制方法通过生成一个信号,来开关电源转换器的电子开关,从而在输出端实现所需的电压值。该开关功能(参见图1中的示例)是通过比较两种信号来实现的:调制信号和载波信号。这两种信号可以总结如下:ubGednc

  • 调制信号是一个包含所需输出电压实际信息的信号。
  • 载波信号是一个周期信号,通常为三角波,其开关频率与电源转换器的开关频率一致。

通过这两个信号之间的相互作用,产生开关功能。为了演示证明,图中所示的系统由三种类型的发生器组成,其中一些是真实的,另一些是经过计算和处理的:ubGednc

  • v(1)是一个三角信号,称为“载波”。 它是一个周期性信号,通常是固定频率信号。根据需要,其形式可能有所不同。
  • v(2)是阈值电压,称为“调制”(或基准电压)。它决定输出逻辑状态的开关阈值电平。它可以由用户选择,也可以是任何波形,例如作为逆变器使用时就是正弦波。
  • v(3)是开断电压,是前两个信号相交和比较的结果。称为二进制开关函数。通常,如果调制大于载波,则其值为1。反之,其值为0。可以通过硬件(使用快速比较电路)或固件(使用功能强大的微控制器)来进行比较。

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图1:开关功能使用的两种类型的信号。ubGednc

开关函数的结果直接发送到驱动器,驱动器根据开关函数的1和0的顺序来管理电源转换器开关的接通和关断。由此可见,由于存在两个不同且易于控制的信号,因此产生了精确的PWM信号。PWM的基本原理是根据所需的基准电压按比例改变开关信号的脉冲宽度。这样就可以控制电源转换器的有效输出值,确保电源信号能得到恰当的调节并保持电源信号的高质量。如上所述,使用PWM具有众多优点,包括高能效、输出信号质量更好、能够控制输出功率和降低功率损耗。在刚刚看到的例子中,对于三角形载波(见图2),输出信号的占空比与调制的电平成线性关系:ubGednc

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图2:开关信号的占空比与调制的电平呈线性关系。ubGednc

在逆变器设计中,采用了产生纯正弦波的技术。图3显示了载波信号、调制信号以及前两者的比较结果。值得注意的是,输出信号将不可避免地受到载波和调制信号谐波的影响。为了减少EMI影响,有必要设计滤波器来尽可能消除或减少此类不良因素。ubGednc

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图3:正弦波调制广泛应用于逆变器设计。ubGednc

结论

利用载波和调制生成PWM信号是控制电源转换器的基本技术。开关函数的产生能够精确调节输出电压,从而为电子转换器提供准确、高效的控制。了解该技术的基本原理和应用对于工程师和电力专家来说至关重要,有助于开发用于控制和优化电源转换的创新解决方案。ubGednc

(原文刊登于EDN姊妹网站Power Electronics News,参考链接:Tutorial: How to Control a Power Converter,由Ricardo Xie编译。)ubGednc

责编:Ricardo
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