能量释放控制系统的硬件设计

　　20世纪60年代就已经开始用开关型调整器代替线性调节器，它将快速通断的晶体管置于输入与输出之间，通过调节通断比例占空比来控制输出电压的平均值。该平均电压由可调宽度的方波脉冲构成，方波脉冲的平均值就是直流输出电压。使用LC滤波器可将方波脉冲平滑成无纹波直流输出，其值等于方波脉冲的平均值，整个电路采用负反馈，通过检测输出电压并结合负反馈控制占空比，稳定输出电压不受输人网压和负载的变化影响。目前输出负载的功率密度1～4W／in3，而且可以获得与输入隔离的多组输出，它们无需工频变压器。有些DC／DC变换器功率密度可高达40～50W／in。

　　线性调整器的优点是低损耗、高效率，但是它串接晶体管的高损耗使它很难在输出大于5A的场合应用，因为高损耗要大体积散热器，而大体积的散热器及笨重的工频变压器与电路其他部件集成小型化不协调，输出负载的功率密度仅为0.2～0.3W/in3，所以不适合本设计。

　　本设计采用了BUCk直流降压变换器，同步整流BUCk变换器是高效率、低电压大电流开关电源的一种拓扑结构，为了实现快速动态响应和高功率密度，同步整流BUCk变换器的输出滤波电感要求小。

　　主电路拓扑图如图所示，它主要由交流整流部分、低通滤波部分、直流降压斩波部分、有源功率因数校正（Active Power Factor Correction，APFC）部分组成（点划线框内在DSP处理器内部程序实现）。首先将电机输出的三相反电动势经过三相二极管整流桥整流为直流，经过低通滤波电路滤去高频纹波并稳压之后，再通过直流降压斩波器控制为稳定的直流电压。同步整流BUCk直流降压斩波器具有高效率、低电压、大电流的特点，是开关电源的一种拓扑结构，只要输出滤波电感值选择较小，还可以实现快速动态响应和高功率密度。

　　图 能量释放控制系统主体拓扑图

　　以上所述拓扑图主要由电感、电容、MOSFET、二极管、放大器等组成。由电机输出的三相电压首先经过三相二极管整流桥整流为脉动的直流，然后通过电感L1及电容C1、c2组成的低通滤波电路滤去高频纹波并稳压之后，再与降压斩波器部分MOSFET IRF3710的漏极D极连接，并且在MOSFET的源极s极和地之间反并联一只二极管，MOSFET的栅极G极由DSP发出的控制信号通过驱动电路控制MOSFET的通断，MOSFET此时工作在开关状态。

　　通过对电压、电流信号采样和反馈输入，再经由APFC经过运算以后，终通过三角波比较法生成开关管的PWM控制信号。其中，VA为电压误差放大器，CA为电流误差放大器，M为乘法器。在经过MOSFET之后通过的续流电感L1值应选稍大些，这样可以使负载电流连续且脉动小，再经过一个稳压电容，滤去高频纹波电压脉动，终获得稳定的直流电压输出。

　　斩波器只要经过计算合理选取器件参数，便可以工作在断续电流模式（DCM），这样可以提高轻载时功率变换效率，避免在连续状态时，轻载导致电感电流变负，引起的循环能量增大，导通损耗增加，功率变换效率降低。临界状态为

　　即当L2，小于此值时，电路工作在DCM模式，但兼顾功率因数，所以L2又不能太小。Vo为输出电压；Po为斩波器输出功率，Po=IoVo；toff为开关管关断时间。