電源高位跟蹤系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

摘 要：本系統(tǒng)通過采用可控硅延時(shí)開關(guān)的方式，解決了電源功率放大管的輸入極和輸出極電壓差無級(jí)跟蹤控制的問題，實(shí)現(xiàn)了輸入極電壓對(duì)輸出極電壓的非開關(guān)電源方式的全程無級(jí)高位跟蹤，從而使電源效率得到很大提高。
關(guān)鍵詞：差壓轉(zhuǎn)換；同步取樣；可控硅延時(shí)開關(guān)；無級(jí)高位跟蹤

引言
具有效率高、重量輕、體積小、攜帶便利等優(yōu)點(diǎn)的開關(guān)電源，迎合了當(dāng)今市場(chǎng)的需求，成為直流穩(wěn)壓電源的主流產(chǎn)品，但是其輸出電壓紋波大、不易檢修等缺點(diǎn)使得很多對(duì)電源要求較高或用于實(shí)驗(yàn)教學(xué)、實(shí)驗(yàn)測(cè)量等場(chǎng)合的電子部件不能使用開關(guān)電源。而一般的工頻式穩(wěn)壓電源，雖能滿足低紋波的性能要求，卻難以實(shí)現(xiàn)高效率、輕重量、小體積。

本方案在一定程度上解決了以上問題，通過調(diào)整開關(guān)延時(shí)，對(duì)穩(wěn)壓電源調(diào)整管實(shí)現(xiàn)了輸入電壓對(duì)輸出電壓的無級(jí)高位跟蹤，從而大大提高了電源效率。也在一定程度上解決了重量、體積等問題。

系統(tǒng)設(shè)計(jì)
系統(tǒng)電路由調(diào)整管(放大管)差壓轉(zhuǎn)換電路、差壓比較兼積分濾波電路、工頻電壓同步取樣電路、同步準(zhǔn)三角波發(fā)生和放大電路、延時(shí)比較驅(qū)動(dòng)開關(guān)、可控硅共同組成，總體設(shè)計(jì)原理圖如圖1所示。

圖1 電壓高位跟蹤系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)原理圖


差壓轉(zhuǎn)換電路
差壓轉(zhuǎn)換電路主要由穩(wěn)壓二極管D1和三極管Q1(9013)組成。

三極管9013給穩(wěn)壓二極管提供一個(gè)基本恒定的直流電流(大約1mA～2mA)，穩(wěn)壓二極管此時(shí)的導(dǎo)通電壓是3V(絕緣柵型大功率場(chǎng)效應(yīng)管在2A時(shí)的飽和降壓是0.8V)。
差壓比較兼積分濾波電路如圖2所示，穩(wěn)壓二極管的下端通過100K降牡繾R1接在運(yùn)算放大器U1A的反相輸入端，調(diào)整管的S(電源的正極輸出端)通過電阻 R2 接在運(yùn)算放大器U1A的同相輸入端，與運(yùn)算放大器I6共同組成比較器兼積分濾波器(輸出電壓變化速率控制在50V/s左右)。此時(shí)，當(dāng)調(diào)整管集電極電壓的平均值高于發(fā)射極電壓3V時(shí)，就能使比較兼積分濾波器的輸入端處于過零比較狀態(tài)，比較電壓的差值會(huì)在輸出端以電壓的形式并以大約50V/s的速度反映出來，并加到延時(shí)比較開關(guān)的同相輸入端。

圖2 差壓比較兼積分濾波電路

同步三角波發(fā)生和放大電路

在如圖3所示的同步方波發(fā)生電路中，將工頻電壓同步取樣信號(hào)通過電阻 R7 加在運(yùn)算放大器I3的反相輸入端，與同相輸入端的+3V參考電壓進(jìn)行過零比較，那么運(yùn)算放大器的輸出端將得到脈沖寬度符合設(shè)計(jì)要求的方波電壓。

圖3 同步方波發(fā)生電路


在如圖4所示的放大電路中，方波電壓與電阻R3、R4、電容C3 組成簡(jiǎn)單的準(zhǔn)三角波發(fā)生器。為了保證三角波電壓的變化速率不致于明顯變緩，三角波幅度要適當(dāng)小一些(大約達(dá)到最大值的1/5就可以了)，電壓幅度比較小的三角波產(chǎn)生以后，再通過同相放大器放大到電源電壓允許的最大范圍。

圖4 同步三角波發(fā)生和放大電路


延時(shí)比較開關(guān)電路
圖5所示的電路中，延時(shí)比較開關(guān)由運(yùn)算放大器U4A組成。同步三角波輸入到運(yùn)算放大器U4A的反相輸入端，差壓比較兼積分濾波電路的輸出電壓加到運(yùn)算放大器U4A的同相輸入端進(jìn)行比較、整形。

圖5 延時(shí)比較開關(guān)及可控硅電路


當(dāng)調(diào)整管(放大管)漏極(集電極)電壓與源極(發(fā)射極)電壓之差的平均值小于3V 時(shí)，差壓比較兼積分濾波電路的輸出電壓會(huì)增大，延時(shí)比較開關(guān)電路正向脈沖的啟動(dòng)時(shí)間會(huì)提前。反之，正向脈沖的啟動(dòng)時(shí)間就會(huì)向后延遲。從而使延時(shí)比較開關(guān)輸出電壓的正向脈沖寬度起動(dòng)時(shí)間受差壓比較兼積分濾波器輸出的電壓控制，再加到可控硅的控制端K，對(duì)4700mF的大電容C3進(jìn)行受控延時(shí)導(dǎo)通。C3電容上的電壓由于充電啟動(dòng)時(shí)間和充電電壓所處位置的不同而得到不同的充電電壓。

圖6 調(diào)整管在輸出大電壓、大電流
(1990mA)時(shí)D極與S極的電壓跟蹤關(guān)系


可控硅輸入端的全波電壓低于C3電容電壓的時(shí)候，由于維持電流消失，可控硅自動(dòng)關(guān)斷。待下一個(gè)延時(shí)方波信號(hào)到達(dá)時(shí)，再重新導(dǎo)通。從而使調(diào)整管漏極(集電極)電壓的平均值始終保持在比源極(發(fā)射極)電壓高3V的水平。如電源輸出為+5V時(shí)，調(diào)整管輸入極就高位跟蹤到8V。

這樣，就可以使放大管的輸入極和輸出極電壓差始終控制在3V，從而大大減小了功率放大管的發(fā)熱量。

圖7 調(diào)整管在輸出大電壓、小電流
(100mA)時(shí)D極與S極的電壓跟蹤關(guān)系

圖8 調(diào)整管在輸出大電流(1500mA)、
小電壓時(shí)D極與S極的電壓跟蹤關(guān)系

圖9 調(diào)整管在輸出小電流(50mA)、
小電壓時(shí)D極與S極的電壓跟蹤關(guān)系

圖10 輸出電流為1.87A時(shí)的紋波電壓


整機(jī)測(cè)試結(jié)果
對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行整機(jī)測(cè)試，測(cè)試結(jié)果由普源存儲(chǔ)示波器導(dǎo)出，波形如圖6~圖10所示。

實(shí)驗(yàn)測(cè)量結(jié)果：電源工作效率最大可以達(dá)到80.0% 。

結(jié)語
本系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)測(cè)試結(jié)果表明，該方案能夠很好地實(shí)現(xiàn)高位跟蹤，客觀上解決了工頻式電源的效率問題。

參考文獻(xiàn)
1孫小平.高性能大功率可控硅整流脈沖電源[J].沈陽航空工業(yè)學(xué)院學(xué)報(bào),1994,(2).
2 張立斌,姚玉環(huán),尹柯.可控硅相控觸發(fā)電路分析與設(shè)計(jì).佳木斯大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版),1994
3 陳志康,張書常.可控硅的原理特性及應(yīng)用.商洛師范?？茖W(xué)校學(xué)報(bào),1997。