用一般脈寬調(diào)制器構(gòu)造的變頻式脈寬調(diào)制器

孫定浩,趙長(zhǎng)春

(1.北京控制工程研究所,北京100190；2.北京圣業(yè)科技發(fā)展有限公司,北京100190)

用一般脈寬調(diào)制器構(gòu)造的變頻式脈寬調(diào)制器

孫定浩1,趙長(zhǎng)春2

(1.北京控制工程研究所,北京100190；2.北京圣業(yè)科技發(fā)展有限公司,北京100190)

提出為直流變換器增加一個(gè)控制變量的概念，以彌補(bǔ)現(xiàn)行直流變換器只有一個(gè)調(diào)節(jié)變量引起的一些缺陷.本文選定的控制變量是直流變換器的運(yùn)行頻率f，將它與一次電源電壓V聯(lián)系起來(lái)，使f隨V上升按預(yù)設(shè)的規(guī)律下降，以解決直流變換器以固定頻率運(yùn)行時(shí)這種情況下出現(xiàn)的許多問(wèn)題，如開(kāi)關(guān)管發(fā)熱加劇等.實(shí)現(xiàn)這一設(shè)想的主要問(wèn)題是將一般脈寬調(diào)制器構(gòu)造成變頻式脈寬調(diào)制器.現(xiàn)以脈寬調(diào)制器1842/3/4/5(簡(jiǎn)記為184X)和1842A/3A/4A/5A(簡(jiǎn)記為184XA)為例，給出了將它構(gòu)造成變頻式脈寬調(diào)制器的方法，示出了可實(shí)現(xiàn)的變頻特性.設(shè)計(jì)了兩個(gè)將一次電源電壓轉(zhuǎn)換為變頻式脈寬調(diào)制器輸入電壓的線性轉(zhuǎn)換電路，推導(dǎo)了計(jì)算這些電路中各元件參數(shù)的表達(dá)式.實(shí)驗(yàn)結(jié)果與設(shè)計(jì)一致.

變頻式脈寬調(diào)制器；電壓線性轉(zhuǎn)換電路

目前用一般脈寬調(diào)制器實(shí)現(xiàn)的直流變換器,只有一個(gè)調(diào)節(jié)變量,即以固定頻率f產(chǎn)生的脈沖寬度w,沒(méi)有其他調(diào)節(jié)變量或控制變量.但直流變換器的外部變量卻有多個(gè),如輸入電壓 V,航天器一次電源電壓的變化率約 ±25%；輸出功率的變化率更高.用一個(gè)調(diào)節(jié)變量調(diào)節(jié)直流變換器以適應(yīng)多個(gè)外部變量的變化,使輸出電壓Vo穩(wěn)定,雖在技術(shù)上可行,但從直流變換器運(yùn)行的總體結(jié)果(除Vo的各項(xiàng)指標(biāo)外,尚應(yīng)包括開(kāi)關(guān)管功耗,整機(jī)效率,對(duì)外輻射等)來(lái)衡量,普遍存在許多缺陷.例如 V上升時(shí),在相同輸出功率條件下,不論采用何種變換器拓?fù)?主開(kāi)關(guān)(MOS管)的功耗均上升,發(fā)熱加劇等.

筆者的思路是,為直流變換器增設(shè)一個(gè)控制變量,以便為設(shè)計(jì)者解決面臨的缺陷提供一個(gè)可能的解決辦法.本文選擇的控制變量是直流變換器的運(yùn)行頻率f,將它構(gòu)造成輸入電壓 V的函數(shù),故用f(V)表示.這函數(shù)的特性可由設(shè)計(jì)者給定,例如將f(V)設(shè)置成V的單調(diào)下降函數(shù).這樣可使各種變換器在 V上升時(shí)主開(kāi)關(guān)管的功耗不致上升；對(duì)于反激變換器,可使V上升時(shí)脈寬不致過(guò)窄等.為實(shí)現(xiàn)上述思路,首先要解決的問(wèn)題是如何將一般脈寬調(diào)制器構(gòu)造成與一次電源電壓V有關(guān)的變頻式脈寬調(diào)制器,以實(shí)現(xiàn)預(yù)定f(V)特性.現(xiàn)以航天器中常用的脈寬調(diào)制器 1842/3/4/5(簡(jiǎn)記為184X)和1842A/3A/4A/5A(簡(jiǎn)記為184XA)為例,討論這一問(wèn)題.

文獻(xiàn)［1］給出了這類脈寬調(diào)制器運(yùn)行頻率 f的一般解析表達(dá)式(生產(chǎn)廠給出的數(shù)據(jù)見(jiàn)文獻(xiàn)［2］).現(xiàn)將其中串聯(lián)RT(定時(shí)電阻)和CT(定時(shí)電容)的電源電壓E作為變量,RT作為參數(shù),故將f記為f(E,RT).令E在4V至6V之間變化,RT分別為1kΩ,1.2kΩ,…,10kΩ,繪制了表征f(E,RT)變化特征的曲線族F(E,RT).其結(jié)果表明,以E為變量,RT為參量,這類脈寬調(diào)制器可輸出我們需要的變頻特性.

接著,本文設(shè)計(jì)了一個(gè)以放大器為基礎(chǔ)的V/E轉(zhuǎn)換電路,將一次電源電壓V轉(zhuǎn)換為電壓E,并給出了計(jì)算轉(zhuǎn)換電路中各電阻值的公式.這樣,便在原理上解決了構(gòu)造變頻式脈寬調(diào)制器的問(wèn)題.

最后,利用本文的解析結(jié)果設(shè)計(jì)了兩個(gè)變頻式脈寬調(diào)制器,實(shí)驗(yàn)結(jié)果與設(shè)計(jì)預(yù)期一致.

1 一類振蕩器的變頻特性

圖1示出脈寬調(diào)制器184X和184XA中振蕩器的電路模型.按文獻(xiàn)［1］的解析結(jié)果,其振蕩頻率f(E,RT)和占比空D(E,RT)的表達(dá)式為

圖1 振蕩器電路模型及等效電路Fig.1 Circuitmodel and effective circuit of oscillation

其中各常數(shù)的標(biāo)稱值為VL=1V,VH=2.7V；184X的i=0.013A,184XA的i=0.0083A(各物理量均用國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)單位).由于CT是一個(gè)可由設(shè)計(jì)者給定的量,RT是參數(shù),故可將式(1)改寫成

其中

用函數(shù)F(E,RT)表征圖1振蕩器運(yùn)行頻率與E和RT的關(guān)系.表1(a)和(b)分別示出F(E,RT)的計(jì)算結(jié)果,E在4～6V之間,RT在1kΩ至10kΩ之間.在以上參數(shù)范圍內(nèi),由式(2)計(jì)算可知D＞0.5.表1中比值F(6,RT)/F(4,RT)表示RT在所示值且E在4～6V之間變化時(shí),Fmax與Fmin的比值.

表1 (a) 184X的F(E，RT)值Tab.1(a) F(E，RT)values of 184X

表1 (b) 184XA的F(E，RT)值Tab.1(b) F(E，RT)values of 184XA

按表1(a)和(b)的數(shù)據(jù),圖2(a)和(b)分別示出184X和184XA的F(E,RT)的曲線族.由圖可見(jiàn),選擇不同的RT值,在相同的E的變化范圍內(nèi)可得出不同的F(E,RT)變化規(guī)律.設(shè)計(jì)者可根據(jù)期望的運(yùn)行頻率f與電壓E的關(guān)系,從這曲線族中選定一曲線(例如 RT=2kΩ),并在其右方選定一點(diǎn)p1(E1,2×103)作為最高頻率fmax點(diǎn)(參看圖2(b)所示).設(shè)預(yù)定最小運(yùn)行頻率為fmin,其相應(yīng)的E值用E2表示.由式(3)知,

在RT=2×103曲線上找到F值等于上式值的p2點(diǎn),其橫坐標(biāo)即E2值.至此,確定了E值的變化范圍應(yīng)在E2至E1.

2 設(shè)計(jì)V/E轉(zhuǎn)換電路

直流變換器一次電源電壓 V在 V1至 V2間變化,V2＞V1,要求相應(yīng)的運(yùn)行頻率在fmax至fmin之間變化.由上述已知,相應(yīng)的E值應(yīng)在E1至E2之間變化.因此,變量V和變量E之間應(yīng)構(gòu)成圖3(a)中由曲線段p1p2所示的關(guān)系.

圖3 V/E轉(zhuǎn)換電路情況Fig.3 Situation of V/E transformation circuit

將直線段p1p2延長(zhǎng)至與V軸、E軸相交,得直線p0p1p2p3.此直線方程為

其中:

令式(6)中E=0,得

現(xiàn)用電路分析法討論圖3(b)電路實(shí)現(xiàn)的V/E線性轉(zhuǎn)換.當(dāng)V=0時(shí),A1點(diǎn)與A2點(diǎn)電位為零.流經(jīng)R3的電流為Vref/R3,向左流動(dòng).因R3和R4流過(guò)相同的電流,故輸出的電位為

當(dāng)輸出端電位為零時(shí),流經(jīng)R4的電流為Vref/R4,向右流動(dòng).因R3、R4流過(guò)相同的電流,故此時(shí)A2的電位為

另一方面,A1的電位為

因VA1等于VA2,故由式(11)和(12)得

令圖3(a)和(c)中相應(yīng)的截距相等,可得

由式(14)和(15)得

式(17)和(18)給出圖3(b)電路中各電阻應(yīng)滿足的條件.

現(xiàn)用電路分析法討論圖3(d).當(dāng)V=0,R1與R2并聯(lián),流經(jīng)R3的電流為

向左流動(dòng).由于流經(jīng)R3和R4的電流相同,故此時(shí)電路輸出電壓

當(dāng)E=0,由圖3(d)電路可知,此時(shí)流經(jīng)R4的電流

向右流動(dòng).由于流經(jīng)R3和R4的電流相同,故此時(shí)A點(diǎn)的電位

因此流經(jīng)R1的電流為

由V=i1R1+VA得

令圖3(a)、(b)中相應(yīng)的截距相等得

將式(25)改寫成

式(26)和(27)的右側(cè)均為已知數(shù).選定

則式(26)和(27)有3個(gè)比值R1/R2,R3/R4和R1/R4待定.將這兩式聯(lián)列解得

式(29)與(18)相同.因比值R3/R4＞0,故由式(30)得

滿足上式的比值R1/R4,均可用來(lái)構(gòu)成V/E轉(zhuǎn)換電路.現(xiàn)取

將上式代入式(30)得

式(29)、(32)、(33)給出圖3(d)中各電阻應(yīng)滿足的條件.

3 兩個(gè)設(shè)計(jì)例子

設(shè)定一次電源電壓80V時(shí)直流變換器運(yùn)行頻率fmax=300kHz,120V時(shí)運(yùn)行頻率fmin=200 kHz,故比值fmax/fmin=1.5.選定用1843A來(lái)構(gòu)造變頻式脈寬調(diào)制器.由表1(b)知,當(dāng)選擇RT=2kΩ,E在4～6V變化時(shí)可實(shí)現(xiàn)這個(gè)頻率比值.在圖2中RT= 2 kΩ的曲線上選定E=5.80的點(diǎn)p1作為fmax= 300kH z工作點(diǎn),p1點(diǎn)的F值為1.74.根據(jù)式(5), fmin=200kH z工作點(diǎn)的F值應(yīng)為

在RT=2 kΩ的曲線上找到F=1.16的點(diǎn)p2,其E值(即E2)為4.24.至此我們得到數(shù)據(jù):V1=80V, V2=120V,E1=5.80V,E2=4.24V.取Vref=5.0V,它滿足式(16).取R2=10 kΩ,將以上數(shù)據(jù)代入公式(17)和(18)得

將RT=2 kΩ,F(5.80,2×103)=1.74,f(5.80,2× 103)=300 kHz代入式(3)得

圖4(a)示出這個(gè)設(shè)計(jì)電路.

現(xiàn)計(jì)算圖4(b)中各電阻的值.將數(shù)據(jù) V1= 80V,V2=120V,E1=5.80V,E2=4.24V,Vref=5.0V, R2=10kΩ代入式(29)(32)(33)得R1=191kΩ, R3=9.5kΩ,R4=14.90kΩ.

圖4 構(gòu)造變頻式脈寬調(diào)制器Fig.4 Constructing a frequency-modulated pulse-width modulator

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

現(xiàn)選用一般脈寬調(diào)制器 UC1843A和放大器LM648構(gòu)造圖4(a)和(b)的實(shí)驗(yàn)電路.首先測(cè)量UC1843A中振蕩器參數(shù)VL,VH和i的值.VL和VH由圖4中UC1843A⑥腳電壓波形的最低值和最高值測(cè)得,它們與標(biāo)稱值一致.i由⑥腳引線電流波形的幅值測(cè)得,它與標(biāo)稱值一致.選用十圈電位器構(gòu)成R1,R2,R3, R4,RT,調(diào)節(jié)其阻值精確到計(jì)算值的末位,CT值為2917pF.所得實(shí)測(cè)結(jié)果如表2所示,它與計(jì)算結(jié)果一致.

表2 UC1843A的實(shí)測(cè)與理論數(shù)據(jù)Tab.2 Measured and theoretical data of UC1843A

5 結(jié) 論

本文提出為直流變換器增設(shè)一個(gè)控制變量的思路,解決了將一般脈寬調(diào)制器184X和184XA構(gòu)造成變頻式脈寬調(diào)制器的有關(guān)問(wèn)題.

本文的實(shí)驗(yàn)證實(shí)在參考文獻(xiàn)［1］中提出的計(jì)算184X和184XA振蕩頻率和占空比的公式(1)和(2)是正確的.本文所述電壓(E/V)線性轉(zhuǎn)換電路,其解析方法與以往所見(jiàn)文獻(xiàn)不同,我們稱為“截距法”,可推廣用于解析其他形式的電壓線性轉(zhuǎn)換電路.

［1］ 孫定浩.脈寬調(diào)制器中一類振蕩器的全面解析結(jié)果［J］.空間控制技術(shù)與應(yīng)用,2011,37(5):26-30 Sun D H.Completely analytical results of a kind of oscillators in pulse width modulators［J］.Aerospace Control and Application,2011,37(5):26-30

［2］ Unitrode.Product&applications handbook［M］.1993-1994(5):179-191

A Variable Frequency Type of Pulse W idth M odulator Constructed of Using General Pulse W idth M odulator

SUN Dinghao1,ZHAO Changchun2
(1.Beijing Institute of Control Engineering,100190,China；2.Beijing Shengye Science and Tech.Development Co.Ltd,100190,China)

In order to remedy some defects caused by only one regulating variable in the current DC/DC converters,a new concept to add a control variable in the converters is proposed.In this paper,the chosen control variable is the operating frequency f of the converter,and make f decrease according to a set law when the voltage of the primary power supp ly increases,so as to solve some problems such as severe heating of the switching transistors,etc.when the frequency is invariable.The main problem to realize the idea is to construct a variable frequency type of pulse width modulator(PWM)by a general PWM. Now taking the general modulator 1842/3/4/5 and 1842A/3A/4A/5A as examples to discuss how to construct the variable frequency type of PWM,and show the realizable frequency characters are given. Both of the linear transform circuits of voltages are designed to transform the voltage of the primary power supply to the input voltage of the PWM.The representations for calculating parameters of elements in these circuits are derived.The experiment results are consistent with designs.

variable frequency type of pulse width modulator；linear transfer circuits of voltages

TM13

A

1674-1579(2012)01-0040-06

10.3969/j.issn.1674-1579.2012.01.007

孫定浩(1934-),男,高級(jí)工程師,研究方向?yàn)殡姽β首儞Q技術(shù)；趙長(zhǎng)春(1976-),男,工程師,研究方向?yàn)殡姽β首儞Q技術(shù).

2011-08-01