數(shù)字化軟開關(guān)電源的Matlab仿真研究

吳思燕

（國網(wǎng)湖北省電力公司 咸豐縣供電公司，湖北 咸豐 445600）

0 引言

現(xiàn)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(fā)展，需要解決開關(guān)損耗和開關(guān)噪音的問題。零電壓零電流開關(guān)（ZVZCS）移相全橋變換器實(shí)現(xiàn)了開關(guān)管的零電壓零電流導(dǎo)通過程，降低了開關(guān)損耗和噪聲，提高變換器的效率[1]。隨著微處理器計(jì)算速度和性能的提升，以及數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)日趨成熟，DSP芯片在開關(guān)電源領(lǐng)域的應(yīng)用更加廣泛，顯示出越來越多的優(yōu)點(diǎn)。同時(shí)高頻開關(guān)數(shù)字控制的研究，特別是開關(guān)電源的小型化、模塊化以及數(shù)字化，將不斷擴(kuò)展數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)的應(yīng)用研究。

1 移相全橋軟開關(guān)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?fù)浣Y(jié)構(gòu)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(hào)是同相位的，VT2和VT3的控制信號(hào)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(gè)相位角，所以VT1、VT2構(gòu)成的橋臂稱超前橋臂，VT4、VT3構(gòu)成的橋臂稱滯后橋臂?？梢酝ㄟ^調(diào)節(jié)超前橋臂和滯后橋臂控制信號(hào)的相位關(guān)系[3]，從而可以調(diào)節(jié)輸出電壓的大小。

移相全橋ZVZCS變換器的主電路結(jié)構(gòu)如圖1所示。D1—D4為快恢復(fù)二極管，C1，C2為開關(guān)觀VT1，VT2的結(jié)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(shù)字DSP控制的移相全橋變換器系統(tǒng)仿真模型

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

圖3 開環(huán)仿真圖

圖4 輸入310V,定負(fù)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(shí)現(xiàn)：在ZVZCS全橋變換器的移相控制策略中，需要四對(duì)獨(dú)立的驅(qū)動(dòng)信號(hào)，并滿足上下橋壁兩管的驅(qū)動(dòng)波形180°互補(bǔ)，四路驅(qū)動(dòng)波形占空比大小固定，對(duì)角超前臂功率管的驅(qū)動(dòng)信號(hào)領(lǐng)先滯后橋臂功率信號(hào)一個(gè)移相角α，移相角大小范圍0—180°[3]，在系統(tǒng)閉環(huán)調(diào)節(jié)過程中實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)。VT1—VT4管的驅(qū)動(dòng)可以利用PWM1—PWM4四個(gè)通道，即配置PWM1，PWM2為互補(bǔ)通道對(duì)，驅(qū)動(dòng)超前臂，配置PWM3，PWM4為互補(bǔ)通道對(duì)，驅(qū)動(dòng)滯后臂。采用半周期重載中斷，保證輸出占比大小不變同時(shí)移相，設(shè)前半周期比較寄存器CMPR設(shè)定值為V1，后半周期比較寄存器CMPR設(shè)定值改為V2，保持(V1+V2)/2為常數(shù)即可。改變V1的值就可改變PWM波的相位，即相對(duì)占空比發(fā)生變化，動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)輸出電壓[3-4]的大小。

Matlab實(shí)現(xiàn)：通過比較延時(shí)環(huán)節(jié)作用下在輸入ln1改變的情況下動(dòng)態(tài)實(shí)現(xiàn) 0—180°（pi）移相。

1.3 數(shù)字DSP控制的移相全橋變換器系統(tǒng)（DSP實(shí)現(xiàn)）

解決了移相生成角后，再根據(jù)反饋的輸出電壓、原邊電感電流的采樣值動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)電壓外環(huán)和電流內(nèi)環(huán)的輸出，實(shí)現(xiàn)穩(wěn)壓，以實(shí)現(xiàn)DSP的功能，即DSP控制移相全橋變換器。PI調(diào)節(jié)器是人們長期在實(shí)踐中摸索出來的一種結(jié)構(gòu)簡單實(shí)用性極強(qiáng)的校正裝置，在此控制系統(tǒng)中電壓、電流環(huán)應(yīng)用了PI環(huán)節(jié)，PI參數(shù)的設(shè)計(jì)[5]通過查看相關(guān)資料經(jīng)仿真調(diào)試得到。

1.4 移相全橋變換器系統(tǒng)Matlab仿真實(shí)現(xiàn)

采用Matlab軟件對(duì)數(shù)字DSP控制移相全橋變換器系統(tǒng)進(jìn)行仿真，得到圖2，模型中包含的子系統(tǒng)與函數(shù)說明及參數(shù)如下，Ur為電壓基準(zhǔn)，PI-v為 PI模塊電壓環(huán)，PI-i為PI模塊電流環(huán)，Main為開環(huán)模型，包括PWM發(fā)生器，全橋主電路和移相角生成電路，比例放大系數(shù)，Ki=0.8，Kv=0.4以及采樣頻率Sample為50K。其中限幅環(huán)節(jié)模擬DSP的保護(hù)作用，零階保持環(huán)節(jié)模擬DSP的采樣，PI調(diào)節(jié)器在DSP內(nèi)通過相應(yīng)的算法實(shí)現(xiàn)。

其中子系統(tǒng)main是該系統(tǒng)的開環(huán)模型，系統(tǒng)的輸入變量是piln1，這里ln1為移相角（弧度制），設(shè)定內(nèi)部參數(shù)。在仿真時(shí)運(yùn)用做一個(gè)離散的PI環(huán)節(jié)封裝成PI調(diào)節(jié)器，與DSP的離散算法相一致,為其設(shè)定仿真參數(shù)。

按照設(shè)計(jì)要求，輸出額定功率為300W(15V/20A)，仿真結(jié)果如下。

（1）額定負(fù)載下（0.75ohm），開環(huán)原邊電流，輸出電流，電壓波形。

（2）閉環(huán)穩(wěn)態(tài)仿真結(jié)果。

圖5 輸入350 V,定負(fù)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(dòng)態(tài)性還是穩(wěn)定性開環(huán)輸出效果沒有閉環(huán)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(dá)到改變相對(duì)占空比進(jìn)而達(dá)到動(dòng)態(tài)穩(wěn)定調(diào)壓的目的。0.005s時(shí)突加載，仿真時(shí)輸出電壓/電流波形以及移相角有動(dòng)態(tài)變化，但狀態(tài)穩(wěn)定。Matlab仿真結(jié)果表明，該系統(tǒng)能夠達(dá)到較好的穩(wěn)態(tài)和動(dòng)態(tài)性能。

2 結(jié)論

本文設(shè)計(jì)了基于DSP控制的移相全橋軟開關(guān)變換器，結(jié)合理論分析并在仿真軟件Matlab環(huán)境下，搭建了仿真模型。通過仿真驗(yàn)證了理論分析的正確性，實(shí)現(xiàn)了模擬DSP控制的移相控制策略，得到了合理PI參數(shù)值。通過仿真分析，為硬件電路的搭建提供了理論依據(jù)。

［1］阮新波，嚴(yán)仰光.脈寬調(diào)制DC/DC全橋變換器的軟開關(guān)技術(shù)[M].科學(xué)出版社，2006.

［2］王兆安，黃俊.電力電子技術(shù)[M].4 版.機(jī)械工業(yè)出版社，2005，1.

［3］洪峰.數(shù)字控制移相全橋軟開關(guān)變換器[D].南京航空航天大學(xué)，2004.2.

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

［5］杜少武.現(xiàn)代電源技術(shù)[D].合肥工業(yè)大學(xué)電氣與自動(dòng)化學(xué)院，2006.