移相全橋變換器電壓模式控制器的設計與仿真

張濤，劉勝道，祝小雨

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移相全橋變換器電壓模式控制器的設計與仿真

張濤，劉勝道，祝小雨

（海軍工程大學電氣工程學院，武漢 430033）

本文設計了一款ZVS移相全橋變換器，給出了移相全橋變換器的小信號模型。在小信號模型基礎上，采用Matlab軟件設計了電壓模式控制器。最后采用Saber軟件對系統進行了仿真。仿真結果表明電壓模式控制器是可行的，系統能夠正常運行。

移相全橋變換器 電壓模式控制 Matlab Saber

0 引言

在開關電源的設計與研發中，開關變換器控制系統的設計是非常重要的一個環節，它的好壞直接決定著電源的性能和質量。目前主要的控制方式有電壓模式和電流模式兩種，電流模式補償簡單，環路響應快，但是它的數學模型比較難得到；電壓模式補償稍復雜，但是它的數學模型比較容易得到[1]。本文采用電壓模式控制，在移相全橋變換器小信號模型的基礎上設計了電壓模式控制器，并用Saber軟件進行了仿真，仿真結果表明電壓模式控制器是可行的。

1 ZVS移相全橋變換器參數

本文設計了一款ZVS移相全橋變換器，并進行了仿真實驗。全橋變換器采用UC3875N芯片控制，其主要參數如下：輸入直流電壓in=220～360 V，額定輸出電壓o=25 V，變壓器副原邊匝比=1/6，開關頻率=50 kHz，諧振電感及變壓器漏感r=8.18mH，輸出濾波電感=25mH，濾波電容=500mF，等效串聯電阻（ESR）c=0.13 Ω，負載電阻=0.25 Ω，基準電壓ref=2.5V，UC3875N的PWM鋸齒波峰值M=3.23V。

2 移相全橋變換器小信號模型

狀態空間平均法是變換器小信號建模的一個常用方法。文獻[2]給出了ZVZCS移相全橋變換器的小信號等效電路模型和主電路控制-輸出的傳遞函數。ZVS移相全橋變換器的小信號等效電路模型和控制-輸出的傳遞函數與ZVZCS類似，可得ZVS移相全橋變換器控制-輸出的傳遞函數vd(s)：

其中：d=2Lf

3 電壓模式控制器的設計

電壓模式控制的基本思想：輸出電壓經采樣后與給定的基準電壓相比較，所得的誤差送補償放大環節，再經脈沖寬度調制，得到一系列控制用的脈沖序列，控制變換器中功率開關器件的通斷，達到穩定輸出電壓的目的。通常，把補償網絡和電壓采樣網絡合并，稱為電壓模式控制器，把電壓模式控制器之外的環節稱為控制對象[3]。

圖1是電壓模式控制原理框圖：G()是主電路控制-輸出傳遞函數，M()是PWM傳遞函數，()是電壓采樣網絡的傳遞函數，c()是補償網絡傳遞函數。

圖1 電壓模式控制原理框圖

要設計反饋回路使閉環系統穩定，必須先求出系統的開環傳遞函數。將ZVS移相全橋電路參數代入（1）式，得到主電路控制-輸出的傳遞函數G()：

PWM傳遞函數M()=1/M=1/3.23，電壓采樣網絡的傳遞函數()=ref/o= 2.5/25，可得系統未補償前的開環傳遞函數G()：

采用Matlab軟件對未補償前開環系統進行頻域分析，系統開環波特圖如圖2所示，未補償前開環系統的相位裕量101°；低頻段增益約3.95 dB，過??；穿越頻率為1.66 kHz，過小，開關電源的穿越頻率一般應設置為開關頻率的1/10-1/5；系統增益過ESR零點后以-1的斜率下降，抗高頻干擾能力較弱。因此，需要進行補償。

常用的補償網絡有三種，分別稱為1型、2型和3型。1型補償網絡只有一個零點，只能用于電流模式控制；3型補償網絡功能最強大，但是網絡復雜，設計比較麻煩；對于一般的電路，2型補償網絡已經夠用[1]。本文采用2型補償網絡進行校正，2型補償網絡有一個零點，兩個極點，其中一個是零極點，如圖3所示：圖中R1與R3組成電壓采樣網絡，R1既是電壓采樣網絡的一部分，也是2型補償網絡的一部分，R3不屬于2型補償網絡，故采用虛線表示。

圖2 未補償前系統開環波特圖

2型補償網絡傳遞函數c()：

利用2型補償網絡進行補償時，我們將穿越頻率設置為開關頻率的1/10，即5 kHz。一般情況下將2型補償網絡的零點配置在LC雙重極點附近，將高頻極點配置在ESR零點附近，然后再利用Matlab進行優化，最終得到2型補償網絡傳遞函數Gc(s)：

補償后系統開環波特圖和閉環階躍響應曲線如圖4所示，低頻段增益明顯增大，穿越頻率為6.13 kHz，幅值裕量無窮大，相位裕量為59.3°，高頻段以-2的斜率快速衰減，抗高頻干擾能力強。系統調節時間約0.591 ms，超調量約10%，系統能迅速穩定運行。

圖4 補償后系統開環波特圖和閉環階躍響應曲線

電壓采樣網絡采用電阻分壓網絡，由1/3=o/ref-1=9知，可取1=9 kΩ，3=1 kΩ。經計算：2=54 kΩ，1=18.5 pF，2=7.4 nF，即可得到電壓模式控制器。

4 仿真實驗

本文采用Saber軟件對系統進行仿真，主要模擬輸入電壓波動和負載電阻突變對系統的影響，具體參數設置如表1。

表1 參數設置表

仿真結果如圖5所示，Vin曲線表示輸入電壓，Vo曲線表示輸出電壓，從圖中可以看出輸入電壓波動對系統基本無影響，負載電阻突變會導致系統出現短暫不穩定，但很快又回到穩定狀態。仿真結果表明，本文設計的電壓模式控制器是可行的，電路能迅速穩定運行。

5 結論

本文在移相全橋變換器小信號模型的基礎上設計了電壓模式控制器，并進行了仿真。仿真結果表明，電壓模式控制器是可行的，系統能迅速穩定運行。由于條件限制，未進行實際的電路實驗。在實際的電路中，由于輸出電容的串聯等效電阻不是定值，會受線路長度、溫度、使用時間等因素影響而變化[1]。因此，實際中要在理論設計的基礎上反復進行調試，得到一個最佳的參數。

[1] （美）馬尼克塔拉（Maniktala,S.）著；王志強等譯. 精通開關電源設計[M]. 北京：人民郵電出版社, 2008: 183-223.

[2] 陳咸豐. 移相控制ZVZCS全橋變換器的研究與應用[D]. 南京：河海大學碩士論文，2006: 13-19.

[3] 張衛平. 開關變換器的建模與控制[M]. 北京：中國電力出版社，2005: 1-31，124-130.

[4] 黃忠霖，周向明. 控制系統MATLAB計算及仿真實訓[M]. 北京：國防工業出版社, 2006: 223-233.

[5] 陳國超，張昆侖. 移相全橋ZVSZCS雙閉環控制系統設計[J]. 通信電源技術, 2010, 27(5): 20-23.

Design and Simulation of Voltage-mode-controller of Phase-shift Full-bridge Converter

Zhang Tao, Liu Shengdao, Zhu Xiaoyu

（College of Electric Engineering, Naval University of Engineering, Wuhan 430033, China）

TM461

A

1003-4862（2013）10-0028-03

2013-02-25

張濤（1984-），男，碩士研究生。研究方向：電磁環境與防護技術。