數字化軟開關電源的Matlab仿真研究

吳思燕

（國網湖北省電力公司 咸豐縣供電公司，湖北 咸豐 445600）

0 引言

現代電源不斷尋求小型化、輕量化，這就要求DC/DC變換器向高頻化的方向發展，需要解決開關損耗和開關噪音的問題。零電壓零電流開關（ZVZCS）移相全橋變換器實現了開關管的零電壓零電流導通過程，降低了開關損耗和噪聲，提高變換器的效率[1]。隨著微處理器計算速度和性能的提升，以及數字信號處理技術日趨成熟，DSP芯片在開關電源領域的應用更加廣泛，顯示出越來越多的優點。同時高頻開關數字控制的研究，特別是開關電源的小型化、模塊化以及數字化，將不斷擴展數字信號處理技術的應用研究。

1 移相全橋軟開關變換器原理分析

1.1 基于DSP控制的移相全橋變換器的主拓撲結構和工作過程

在一般的全橋式DC/DC變換器中，VT1和VT4的控制信號是同相位的，VT2和VT3的控制信號是同相位的，在如圖1所示的移相全橋ZVZCVS變換器[2]中，VT1、VT2分別超前VT4、VT3一個相位角，所以VT1、VT2構成的橋臂稱超前橋臂，VT4、VT3構成的橋臂稱滯后橋臂。可以通過調節超前橋臂和滯后橋臂控制信號的相位關系[3]，從而可以調節輸出電壓的大小。

移相全橋ZVZCS變換器的主電路結構如圖1所示。D1—D4為快恢復二極管，C1，C2為開關觀VT1，VT2的結電容。Cb為隔離電容（也稱阻斷電容），Lr為飽和電抗器。

圖1 變換器主電路

圖2 數字DSP控制的移相全橋變換器系統仿真模型

在每個工作半周期間，移相全橋ZVZCS變換器有六種開關模態，六種開關模態的原理不在這里贅述。每個橋臂的開關(超前橋臂VT1、VT2和滯后橋臂VT3、VT4)具有接近50%的占空比交錯通斷，兩個橋臂之間的相移決定變換器的工作占空比（相對占空比）。

圖3 開環仿真圖

圖4 輸入310V,定負載下輸出電壓，電流波形以及移相角變化（弧度制）

1.2 移相角生成策略

DSP實現：在ZVZCS全橋變換器的移相控制策略中，需要四對獨立的驅動信號，并滿足上下橋壁兩管的驅動波形180°互補，四路驅動波形占空比大小固定，對角超前臂功率管的驅動信號領先滯后橋臂功率信號一個移相角α，移相角大小范圍0—180°[3]，在系統閉環調節過程中實現動態調節。VT1—VT4管的驅動可以利用PWM1—PWM4四個通道，即配置PWM1，PWM2為互補通道對，驅動超前臂，配置PWM3，PWM4為互補通道對，驅動滯后臂。采用半周期重載中斷，保證輸出占比大小不變同時移相，設前半周期比較寄存器CMPR設定值為V1，后半周期比較寄存器CMPR設定值改為V2，保持(V1+V2)/2為常數即可。改變V1的值就可改變PWM波的相位，即相對占空比發生變化，動態調節輸出電壓[3-4]的大小。

Matlab實現：通過比較延時環節作用下在輸入ln1改變的情況下動態實現 0—180°（pi）移相。

1.3 數字DSP控制的移相全橋變換器系統（DSP實現）

解決了移相生成角后，再根據反饋的輸出電壓、原邊電感電流的采樣值動態調節電壓外環和電流內環的輸出，實現穩壓，以實現DSP的功能，即DSP控制移相全橋變換器。PI調節器是人們長期在實踐中摸索出來的一種結構簡單實用性極強的校正裝置，在此控制系統中電壓、電流環應用了PI環節，PI參數的設計[5]通過查看相關資料經仿真調試得到。

1.4 移相全橋變換器系統Matlab仿真實現

采用Matlab軟件對數字DSP控制移相全橋變換器系統進行仿真，得到圖2，模型中包含的子系統與函數說明及參數如下，Ur為電壓基準，PI-v為 PI模塊電壓環，PI-i為PI模塊電流環，Main為開環模型，包括PWM發生器，全橋主電路和移相角生成電路，比例放大系數，Ki=0.8，Kv=0.4以及采樣頻率Sample為50K。其中限幅環節模擬DSP的保護作用，零階保持環節模擬DSP的采樣，PI調節器在DSP內通過相應的算法實現。

其中子系統main是該系統的開環模型，系統的輸入變量是piln1，這里ln1為移相角（弧度制），設定內部參數。在仿真時運用做一個離散的PI環節封裝成PI調節器，與DSP的離散算法相一致,為其設定仿真參數。

按照設計要求，輸出額定功率為300W(15V/20A)，仿真結果如下。

（1）額定負載下（0.75ohm），開環原邊電流，輸出電流，電壓波形。

（2）閉環穩態仿真結果。

圖5 輸入350 V,定負載下輸出電壓，電流波形以及移相角變化（弧度制）

從圖3和4知無論是動態性還是穩定性開環輸出效果沒有閉環輸出好，圖4和5可以看出輸入增大可以減小移相角從而達到改變相對占空比進而達到動態穩定調壓的目的。0.005s時突加載，仿真時輸出電壓/電流波形以及移相角有動態變化，但狀態穩定。Matlab仿真結果表明，該系統能夠達到較好的穩態和動態性能。

2 結論

本文設計了基于DSP控制的移相全橋軟開關變換器，結合理論分析并在仿真軟件Matlab環境下，搭建了仿真模型。通過仿真驗證了理論分析的正確性，實現了模擬DSP控制的移相控制策略，得到了合理PI參數值。通過仿真分析，為硬件電路的搭建提供了理論依據。

［1］阮新波，嚴仰光.脈寬調制DC/DC全橋變換器的軟開關技術[M].科學出版社，2006.

［2］王兆安，黃俊.電力電子技術[M].4 版.機械工業出版社，2005，1.

［3］洪峰.數字控制移相全橋軟開關變換器[D].南京航空航天大學，2004.2.

［4］芮騏驊.滯后臂串聯二極管的ZVZCS移相全橋變換器研究[D].合肥工業大學,2010-4-1.

［5］杜少武.現代電源技術[D].合肥工業大學電氣與自動化學院，2006.