中頻正弦波鍍膜電源開發

改造者：楊 舒

中頻正弦波鍍膜電源開發

改造者：楊 舒

設計了一種功率器件為IGBT，10KW，40KHZ正弦波鍍膜電源主電路采用移相全橋，輸出濾波電路采樣LLCC4階功率變換電路。通過用狀態空間平均法建立LLCC功率變換電路的小信號模型，推導出控制到輸出的傳遞函數，并用MATLAB進行仿真；分析并畫出閉環系統結構圖，通過用試探法使原始系統開環回路傳遞函數的bode圖滿足所需要求，從而得到補償網絡傳遞函數，完成了變換器的控制系統設計。

鍍膜電源是鍍膜過程中非常重要的一部分。磁控濺射電源的性能關系到鍍膜質量的好壞。軟開關諧振變換器被廣泛使用在高頻率，高功率密度和減少電磁干擾的電源中。本文設計的開關電源的主電路是移相全橋LLCC諧振變換電路，相比2階諧振電路有更大的負載變化范圍，可以呈現更好的性能和更好的動態響應。另外，通過使用更高階的諧振電路，可能吸收一個轉換器的所有的寄生元件，尤其是當很高的轉換頻率時。

總體設計方案

設計要求

（1）輸入 三相輸入電壓：（380±10％）V；頻率：50±3Hz。

（2）輸出 輸出電壓有效值范圍：307-953 V；輸出頻率：4QkHz±0.01Hz。

最大輸出功率l0kW 負載范圍約為1：10（9-91Ω）。

（3）工作模式 穩流，穩電壓，穩功率。

（4）工作環境 工作溫度 0-40℃。

整體系統設計

系統整體設計如圖1所示，中頻磁控濺射電源主要是經由三相整流濾波、移相全橋主電路、四階LCLC濾波、升壓變壓器輸出到負載，然后反饋電路實現恒流、恒壓恒功率三種工作模式。DSP控制板主要實現故障處理，IGBT驅動，和與飛思卡爾單片機的CAN通信。DSP主控板檢測輸出電壓、電流、功率、故障等信號，與設定值比較，再進行占空比計算，然后輸出PWM信號驅動功率開關管，完成閉環控制。DSP芯片采用TI公司的TMS320F2808。DSP進行AD轉換，將需要的數據采集。DSP接受的是0～3V的直流電壓信號，電源的輸出是高電壓、大電流，均為40kHz正弦波。首先將高電壓、大電流信號變換成低電壓信號，再把交流轉換成直流信號，在進行電壓匹配到DSP的AD端口。AD734芯片用來將交流轉換成直流。

圖1 中頻磁控濺射電源設計框架

主電路工作原理

主電路結構如圖2所示，380V三相交流電經三相整流濾波輸出直流電E，經移相全橋逆變電路控制，得到占空比可調的三階梯波，再經LLCC諧振變換電路濾波，得到40kHZ的正弦波，最后通過升壓變壓器加到負載端。Q1、Q2是超前臂，Q3、Q4是滯后臂。Ls、Cs、Lp、Cp組成的是純并聯諧振電路。

圖2 主電路示意圖

變換器小信號模型建立與分析

小信號分析法是適用于非線性系統線性化的一種較好的理論分析方法。將小信號分析法引入開關變換器的動態建模與分析是目前常用的方法。小信號建模的方法有很多種，常見的有PWM開關等效法、狀態空間平均法等，下面本文將基于狀態空間平均法對變換器進行小信號建模分析。

狀態空間平均法

LLCC的數學建模做出如下假設：（1）所有的開關，二極管和其他無源元件是理想的；（2）所有無源器件為線性元件；（3）濾波電感電流交流紋波很小，可忽略不計。基于以上假設條件，繪制全橋LLCC等效電路如下圖3所示。

圖3 全橋LLCC等效電路

根據等效電路，由基爾霍夫定律列寫其狀態方程。

變換器的狀態變量電感電流iLS，i Lp和電容電壓vCS，vCP

小信號擾動法的主要思想是通過變換器靜態工作點附近引入低頻小信號擾動，從而對變換器進行線性化處理。假設變換器工作在某一穩態工作點，占空比d（t）=D，輸入電壓vg（t ）穩態值Vg，在穩態工作點附近加一個低頻小擾動，令

變換器電路中各狀態變量受小信號擾動而將發生微小變化，設

拉氏變換后的近似小信號交流模型：

整理得

系統bode圖繪制與分析

本文設計的硬件參數：

輸入電壓Vg=515V，諧振電感LS=LP=48μH，諧振電容CS=CP=0.33μF，諧振頻率fs=40KHZ，周期T=25μs。

將其代入得變換器控制擾動量一輸出的開環傳遞函數為：

運用MATLAB軟件繪制出控制擾動量一輸出的開環傳遞函數bode圖，如圖4所示。

圖4 控制一輸出的開環傳遞函數bode圖

控制系統設計

移相全橋LLCC諧振變換器電壓負反饋閉環控制系統結構圖如圖5所示。其中為控制d（s）到輸出的傳遞函數為誤差信號到控制量的傳遞函數，為PWM的傳遞函數為反饋分壓網絡的傳遞函數。主電路輸出電壓vo經過電壓采樣電路，將采樣輸出的電壓作為反饋電壓信號輸入誤差放大器負端，與誤差放大器正輸參考電壓相減，得到誤差信號輸入至控制補償網絡得控制量α經PWM將控制量轉化為占空比控制量后，最后輸入至開關變換器電路控制輸出電壓

圖5 移相全橋LLCC諧振變換器電壓負反饋閉環控制系統結構圖

開關變換器系統原始回路的開環傳遞函數為

通過移相角α的大小來調節占空比d（t），所以PWM的傳遞函數

將所得各環節傳遞函數代入（5.2），可得移相全橋LLCC諧振變換器原始系統開環回路傳遞函數為

繪制變換器系統原始開環回路的系統對數頻率特性，如圖6所示。

圖6 移相全橋LLCC諧振變換器系統原始開環回路傳遞函數bode圖

為了使系統滿足一定的動態和穩態要求，對開環傳遞函數的波特圖一般希望其滿足

（1）低頻段要有一定的高度和斜率，以保證系統的穩態誤差小；

（2）中頻段幅頻斜率為一20dB/Dec，且具有足夠的寬度；或是幅頻斜率為一40dB/Dec，且中頻段較窄；相角裕度大于45°；

（3）高頻特性應以一40dB/Dec斜率下降，以抑制不必要的高頻干擾；

（4）系統開環截止頻率設計在開關頻率的1/5→ 1/20.本文中開關頻率為40kHZ，穿越頻率選擇其1/20，得fc=2kHZ；

（5）工程領域認為GM小于-6dB，則系統具有足夠的增益裕度。

運用MATLAB通過試探法，使其滿足上述要求，得補償后的系統開環傳遞函數bode圖，如圖7所示。

圖7 補償后的系統開環傳遞函數bode圖

從而得到我們要設計的控制器補償網絡的傳遞函數，

結語

本文提出了一種基于DSP的正弦波中頻電源的設計。分析了正弦波電源的工作原理，分析了移相全橋諧振電路的基本工作原理。重點對LLCC功率變換電路進行建模，通過用狀態空間平均法建立了LLCC功率變換電路的小信號模型，推導出控制到輸出的小信號傳遞函數，并用MATLAB繪制了bode圖。為使系統滿足一定的動態和穩態要求，通過用試探法畫出符合要求的補償后的系統開環傳遞函數bode圖，從而求得補償網絡傳遞函數，完成了變換器的控制系統設計，并用MATLAB仿真驗證。

楊 舒

中國礦業大學（北京）機電與信息工程學院

楊舒（1993-）女，陜西，本科，所學專業電氣工程與自動化。

10.3969/j.issn.1001-8972.2015.16.036