固纬电子电力电子教学小课堂 | 第二十讲: PEK-120模块之PWM
PTS-系列之PEK-100系列教学
PEK-120模块之PWM
写在前面的话
经过前几期对于PTS-800中基本的电路图拓扑结构的学习，我们已经掌握了基本的电路模型。从PEK-100系列开始，在固有电路拓扑基础上开始对电路的控制方式进行学习。本期将针对直流变换器PEK-120的控制方式以及与新能源中光伏发电结合探究最大功率点追踪技术的学习。
PEK-120
降压式转换器模组
简 述：
对于一个直流变换器而言，PWM（脉冲宽度调制）是将控制信号转换为开关管开通与关断命令的方法中最典型的方法。通常情况下以高频三角波（或锯齿波）作为载波，载波与调制波进行比较得到一系列等高不等宽的方波信号作为开关管的触发命令。其中开关管导通时间与开关管切换周期之比作为开关管的占空比。本次就以降压变换器为例为大家展示PWM控制效果。
通常锯齿波为固定频率，但是为了提高变换器轻载时的效率或者是降低空载时的损耗，许多变换器会将载波频率随着负载降低来减少轻载时变换器的损耗。此外，为了减少电磁干扰问题，一般控制IC在定频下也作抖频，故变换器的切换频率为fs+/-fd。其中fd一般远低于载波频率。
开关频率的影响：
开关频率决定了变换器的体积、质量、响应速度与效率等特性。通过分析开关管开通与关断两个状态，可以得到如下图所示的二极管两端的电压并经过傅里叶展开后可得到一个直流分量与若干个整数倍开关频率的谐波。根据变换器输出电压与二极管两端的电压可知两者之间的转换函数：
根据传递函数可知，LC在这边起到了一个低通滤波器的作用并且低通滤波器的截止频率远低于载波频率。因此，二极管两端电压经过LC滤波器之后只剩下了直流分量。最终使得变换器的输出电压接近于直流电压。当载波频率足够高的时候输出就是一个完美的直流电压，同时也可以相对提高LC滤波器的截止频率，因此L与C的数值相对可以减小，从而降低变换器的体积、质量等特性。从电压电流的响应速度方面而言，较高的开关频率与较低的电感与电容可以提高系统的开路控制带宽，劲儿提高闭环系统的响应速度。但是高频的切换频率也会带了散热问题以及EMI问题。为了处理散热问题需要增加散热片以及风扇就会增大产品体积，同时高频切换会提高电路瞬间电压电流的变化率从而需要在更小的体积内处理EMI问题。
降压式变换器工作原理：
降压变换器的电感电流平均值与负载电流相等，当负载电流变小直到电感电流在该周期结束的时候恰好等于0，此时电感电流与负载电流分别被称为临界电感电流与临界负载电流。其工作过程中的波形图如下：
根据实际应用中输入电压或输出电压固定从而计算电感电流在占空比为多少时达到最大值点以及最大值的大小。
L与C的设计：
电感L设计：
以临界电感电流工作状态设计，当负载电流高于临界电流时，变换器便工作在连续模式下。
若输入电压为定值，
若输出电压为定值，
电容C设计：
输出电容纹波是由于电感电流对电容充放电造成的。该纹波成分包含理想电容本身充放电造成的纹波与电流流经电容等效串联电阻造成问纹波。
若电压纹波成分主要由等效串联电阻造成，则电容的设计必须先根据等效串联电阻设计，再由等效串联电阻计算电容值。
若采用低等效串联电阻电容，则电容纹波主要来自理想电容充放电造成。故：
如果考虑当负载突变电感电流来不及补充时，负载电流由电容提供造成短时间输出电压下降或升高，则：
故：
一般情况下以功率变化量为最大功率的0.9倍左右设计电容。
实验验证：
总 结：
经过以上对于降压变换器中PWM的简单介绍我们了解了降压变换器的参数设计过程。固纬电子在点力电子教学方向致力于为老师减少压力，缓解学生的学习压力，因此开创了全新的理论与实践相结合的教学模式，还请各位老师同学进行了解转发。
附：为了提供学生更加丰富的学习资料，本次我们提供了matlab的仿真文件，感兴趣的可以点赞转发，在文章下面留言以及联系方式或邮箱可以免费提供仿真文件。
仿真效果图：
