機載DC/DC變換器動態特性研究

李晨蕾， 鄭先成， 何國華， 孫夢楠

（西北工業大學自動化學院，陜西西安 710072）

隨著多電飛機技術的逐步應用，飛機上需要大量的變換器進行功率變換以滿足負載對用電形式的不同需求[1]。對于采用270 V供電體制的飛機需采用DC/DC變換器將270 V高壓直流變換成28 V低壓直流，用于與蓄電池并聯供電的應急設備使用[2]。這種DC/DC變換器處于飛機分布式供電系統的中間環節，對整個級聯系統的動態特性和穩定性具有重要影響[3]。由于動態特性和穩定性緊密聯系，所以研究變換器的動態特性對于改善飛機電力系統的性能具有重要價值。

本文以移相全橋變換器為對象，通過理論分析、仿真和實驗驗證了控制帶寬和輸出濾波電感對變換器控制系統環路增益的影響，優化了變換器的動態特性，保證變換器輸出滿足GJB181A-2003的要求。

1 變換器設計

圖1為移相控制DC/DC全橋變換器的主電路拓撲圖[4]。變換器的主電路參數為：輸入電壓為270 V；輸出電壓為28 V；工作頻率為 20 kHz；輸出額定電流為 52 A；濾波電感L為5μH；濾波電容為C為2 247μF。

圖1 DC/DC變換器主電路

圖2 DC/DC變換器輸出系統控制框圖

系統的小信號模型系統控制框圖如圖2所示[5]。其中，Gm(s)為PWM脈寬調制器的傳遞函數，H(s)表示反饋分壓網絡的傳遞函數，Gc(s)為補償網絡的傳遞函數。

Gvd(s)為由控制到輸出的傳遞函數。輸出控制系統補償前的回路增益傳遞函數為：

補償后環路增益為：

采用單零點單極點的補償網絡[6]，其傳遞函數如式（3）所示：

圖3為輸出控制系統補償前后的環路增益幅相特性。由圖可知，補償網絡顯著改善了輸出控制系統的環路增益；補償后，變換器的直流增益為31.7 dB，相位裕度為114°，理論上保證了該變換器具有良好的動穩態特性。

圖3 補償前后環路增益

2 變換器動態特性的影響因素

由式（2）可以得出，補償后變換器的環路增益與濾波電感、電容及補償網絡均有關系。補償網絡對于變換器的影響，由補償后的環路增益帶寬體現出來，電容與電感對動態特性的影響等價，因此本文只分析輸出濾波電感和控制帶寬對變換器動態特性的影響。

2.1 濾波電感對變換器動態特性的影響

電感常與電容組成輸出濾波器，用于抑制輸出電壓紋波[7]。當輸出發生變化時，由于電感本身特性會阻礙電流的變化，這便會對變換器的動態特性有一定的影響。圖4所示為同一補償網絡下電感分別為5、10、20μH時的變換器環路增益。在低頻段，不同電感下的幅頻曲線軌跡基本一致，而在高頻段，變換器的控制帶寬隨著電感值的增大而減小。由此說明，電感對高頻段有比較顯著的影響，對低頻段影響較小。

圖4 不同電感下的補償后幅相特性曲線

圖5所示為不同電感時變換器突加突卸負載（100%-50%-100%）的輸出電壓波形。電感值越大，穩態時紋波幅值越小，變載時調節時間越長。加卸載時的輸出電壓過沖與欠沖量隨著輸出電感值的增大而增大。因此綜合考慮，本文設計的DC/DC變換器選擇濾波電感值為5μH。

2.2 帶寬對變換器動態特性的影響

圖5 不同電感時的系統動態特性

為了研究帶寬對變換器動態特性的影響，分別設計補償網絡保證控制系統環路增益帶寬為1 kHz，500 Hz，100 Hz。

圖6所示為不同帶寬下控制系統的環路增益。在整個頻域上，變換器的直流增益隨著控制帶寬的增大而增大。控制帶寬的改變對環路增益的相頻曲線幾乎沒有影響，但控制帶寬為1 kHz時，控制系統相位裕度最大。

圖6 不同帶寬下的補償后幅相特性曲線

圖7所示為不同控制帶寬下的變換器突加負載瞬間輸出電壓的動態特性。隨著帶寬的增大，變換器的調節時間減小，而電壓超調量隨著帶寬的增大而減小。在實際中，帶寬的增加會抬升高頻段的增益（如圖6所示），導致高頻抗干擾能力降低。其中，輸出電感為5μH，帶寬為500 Hz時的變換器工作在額定負載下時，在20ms時負載由100%突變到50%，超調量為9.7%，調節時間為0.5ms；在25ms時，負載由50%突變到100%，超調量為8.7%，調節時間為0.5ms,滿足GJB-181A要求[8]。因此，從性能、經濟方面綜合考慮，本文設計的DC/DC變換器控制帶寬為500Hz。

圖7 不同帶寬下的系統動態特性

3 變換器仿真及實驗

3.1 變換器的環路增益仿真測量

變換器的輸出控制系統環路增益測量電路如圖8所示[9-10]。網絡分析儀產生的激勵信號通過變比為1∶1的變壓器注入到被測電路中。網絡分析儀將從A,B兩點獲取的響應信號相比，即能得到變換器的環路增益特性曲線。

圖8 環路增益測量方法

Saber仿真軟件中的環路掃描儀tdsa具有網絡分析儀的功能，可利用其實現頻域的環路仿真。按此方法，在Saber仿真平臺下對控制帶寬為500 Hz的變換器進行環路增益仿真，得到的控制系統環路增益特性曲線如圖9所示。由圖中看出，幅頻特性曲線30 Hz處的增益為20 dB，帶寬為560 Hz，高頻段幅頻特性曲線的斜率為－20 dB/dec，相位裕度為110°。理論計算時未考慮開關管響應時間和寄生參數等因素，導致仿真所得帶寬較理論值稍偏大，但在可接受范圍內。

圖9 補償后環路增益仿真測量結果

3.2 樣機實驗

綜合考慮機載變換器穩定性和動態特性要求,按照第一節所述主電路元件參數搭建硬件電路，樣機控制帶寬設為500Hz。參考圖8所示的環路增益測量方法，利用英國牛頓公司的網絡分析儀PSM1700測量樣機的環路增益如圖10所示。

圖10 樣機環路增益特性

由于電路各器件本身特性、耦合以及測量精度的問題，導致樣機環路增益測量結果較理論計算及仿真值相差3 dB，在正常誤差范圍內；相位裕度為90°，能夠保證穩定；控制系統只對帶寬內的環路增益有調節作用，帶寬以外的特性由濾波器決定；變換器抗高頻干擾能力只取決于高頻段的幅頻特性，因此變換器良好的幅頻特性保證了系統具有較好的抗高頻干擾能力。綜合來看，該補償網絡能夠保證該樣機具有較好的穩定性和動態特性。對樣機進行突加突卸負實驗，輸出電壓電流波形如圖11所示，負載由50%突變到100%，超調量為5%，調節時間為15ms；負載由100%突變到50%，超調量為3%，調節時間為20ms。由此可得，樣機的動態特性均符合GJB81A-2003要求且負載調整率較大。

圖11 樣機突加突卸負載電壓電流輸出

4 總結

為了設計符合GJB181A-2003相應要求的機載DC/DC變換器，本文通過頻域法設計相應的補償網絡，并在Saber環境下對其仿真測量，分析了不同輸出電感及不同帶寬對變換器動態特性的影響，并搭建了相應的硬件樣機進行實驗，得到以下結論：輸出濾波電感值越大，穩態時紋波幅值越小，變載時調節時間越長，加卸載時的輸出電壓過沖與欠沖量越大；帶寬越大，調節時間越小，電壓超調量越小。

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