基于工程設(shè)計(jì)法的移相全橋變換器設(shè)計(jì)

王 博，趙文春，劉勝道

（海軍工程大學(xué) 湖北 武漢 430033）

基于工程設(shè)計(jì)法的移相全橋變換器設(shè)計(jì)

王 博，趙文春，劉勝道

（海軍工程大學(xué) 湖北 武漢 430033）

傳統(tǒng)的雙閉環(huán)控制補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計(jì)依據(jù)伯德圖進(jìn)行，工作量大、且需要反復(fù)試湊和一定的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，針對(duì)以上不足，將調(diào)節(jié)器的工程設(shè)計(jì)法引入移相全橋變換器的設(shè)計(jì)中，進(jìn)行了系統(tǒng)動(dòng)態(tài)建模并給出了詳細(xì)的設(shè)計(jì)過(guò)程。利用Matlab/Simulink工具箱對(duì)系統(tǒng)輸出特性進(jìn)行了仿真驗(yàn)證分析，同時(shí)搭建了試驗(yàn)樣機(jī)，仿真及試驗(yàn)結(jié)果一致，驗(yàn)證了工程設(shè)計(jì)法在移相全橋變換器的補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)中的可行性，證明該設(shè)計(jì)方法合理有效、簡(jiǎn)化了閉環(huán)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。

移相全橋；工程設(shè)計(jì)法；平均電流模式；雙閉環(huán)控制

移相全橋變換器電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)潔、控制獨(dú)特、開(kāi)關(guān)損耗功率小、可實(shí)現(xiàn)高功率變換，同時(shí)逆變橋開(kāi)關(guān)管的電壓和電流應(yīng)力也可有效降低。閉環(huán)系統(tǒng)的建模計(jì)算和補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)是開(kāi)關(guān)電源領(lǐng)域的難點(diǎn)，決定著開(kāi)關(guān)電源的輸出電壓精度、負(fù)載調(diào)整率、電源調(diào)整率、動(dòng)態(tài)性能等指標(biāo)，直接關(guān)系著系統(tǒng)性能的好壞。開(kāi)展對(duì)該變換器控制補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)的研究具有現(xiàn)實(shí)意義。

目前設(shè)計(jì)雙閉環(huán)補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)主要采用借助伯德圖設(shè)計(jì)，需要實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)和熟練技巧。而變換器各部分可以建立數(shù)學(xué)模型，簡(jiǎn)化或近似成低階系統(tǒng)，經(jīng)補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)比例、積分等規(guī)律控制，從而處理成少數(shù)典型的低階系統(tǒng)，相關(guān)典型環(huán)節(jié)已做了深入系統(tǒng)的分析，參數(shù)計(jì)算公式和調(diào)節(jié)方向都已明確。因而本文將調(diào)節(jié)器的工程設(shè)計(jì)方法應(yīng)用于其中，以簡(jiǎn)化雙閉環(huán)移相全橋變換器補(bǔ)償系統(tǒng)設(shè)計(jì)，利用Matlab/Simulink工具箱進(jìn)行了控制系統(tǒng)建模，并對(duì)輸入電壓和負(fù)載突變情況進(jìn)行了仿真。最后制作了試驗(yàn)樣機(jī)，驗(yàn)證了方法的可行性。

1　基本原理與控制方式選擇

圖1所示為移相全橋變換器主電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。由超前橋臂（開(kāi)關(guān)管Q1和Q2）和滯后橋臂（開(kāi)關(guān)管Q3和Q4）組成逆變橋，開(kāi)關(guān)管兩邊分別并聯(lián)諧振電容（或漏源極電容）和反并聯(lián)二極管（或開(kāi)關(guān)管的體二極管），Lr是諧振電感（包括串聯(lián)電感和變壓器原邊漏感），T是高頻變壓器。副邊采用全波整流，D1和D2是輸出整流二極管，Lf和Cf組成了輸出濾波電路。超前橋臂超前滯后橋臂一個(gè)相位，即移相角，通過(guò)閉環(huán)控制系統(tǒng)，動(dòng)態(tài)地調(diào)節(jié)移相角來(lái)改變開(kāi)關(guān)管的導(dǎo)通時(shí)間，從而調(diào)節(jié)輸出電壓電流。控制方式本文選擇平均電流模式，移相全橋變換器系統(tǒng)框圖如圖1所示。

圖1　移相全橋變換器系統(tǒng)框圖

2　補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計(jì)

2.1補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

圖2中，AVR為電壓調(diào)節(jié)器，ACR為電流調(diào)節(jié)器，α、β為電壓，電流采樣環(huán)節(jié)比例系數(shù)。Gi（s）為輸出電流傳遞函數(shù)，Z（s）為負(fù)載。

圖2　雙閉環(huán)移相全橋變換器動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)框圖

因PWM裝置響應(yīng)存在延遲，最大時(shí)延為一個(gè)開(kāi)關(guān)周期T，因此PWM控制和變換器可以看成一個(gè)滯后環(huán)節(jié)。文中開(kāi)關(guān)頻率為50 kHz，T=0.02 ms，此滯后環(huán)節(jié)時(shí)間常數(shù)較小，可近似認(rèn)為是一個(gè)一階慣性環(huán)節(jié)，其傳遞函數(shù)為［3］：

式中：Ks為PWM裝置放大系數(shù)；Ts為PWM延遲時(shí)間，Ts≤T，T為系統(tǒng)周期。

輸出電流傳遞函數(shù)為［4］：

式中：n為原副邊匝數(shù)比，Vin為輸入電壓，L為濾波電感，Rd為等效電阻。

電流控制環(huán)的負(fù)載是由輸出電容和負(fù)載組成的網(wǎng)絡(luò)，輸出電壓與電感電流之間的傳遞函數(shù):

式中C為輸出濾波電容，R為負(fù)載

2.2電流環(huán)補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計(jì)

從靜態(tài)要求看，希望系統(tǒng)電流是恒定的，與給定無(wú)靜差。從動(dòng)態(tài)性能考慮，希望電流環(huán)不要有太大的超調(diào)，所以電流環(huán)應(yīng)以跟隨性能為主，校正成典型Ⅰ型系統(tǒng)，顯然應(yīng)采用PI型電流調(diào)節(jié)器，其傳遞函數(shù)可寫(xiě)成:

式中：Ki為電流調(diào)節(jié)器的比例系數(shù)，τi為電流調(diào)節(jié)器超前時(shí)間常數(shù)。

電流環(huán)開(kāi)環(huán)傳遞函數(shù)為：

為了讓調(diào)節(jié)器的零點(diǎn)與控制對(duì)象的大時(shí)間常數(shù)極點(diǎn)相消，選擇τi=L/Rd

則開(kāi)環(huán)傳遞函數(shù)為：

式中：KI為電流環(huán)開(kāi)環(huán)增益，TΣi為慣性環(huán)節(jié)時(shí)間常數(shù)。

電流調(diào)節(jié)器參數(shù)由Ki和τi決定，τi是控制對(duì)象本身固有的，已經(jīng)選定Ki，可依據(jù)系統(tǒng)動(dòng)態(tài)性能的要求選定，其值越大，系統(tǒng)響應(yīng)速度越快但相角穩(wěn)定裕度越小，選擇參數(shù)時(shí)需要折衷考慮快速性和穩(wěn)定性。本系統(tǒng)希望電流環(huán)超調(diào)量σ≤5％，則選擇將工程器設(shè)計(jì)成二階最佳系統(tǒng)，選擇衰減系數(shù)ξ=0.707，代入數(shù)字則可得Ki=0.16。電流環(huán)的開(kāi)環(huán)傳遞函數(shù)為：

補(bǔ)償后電流環(huán)開(kāi)環(huán)傳遞函數(shù)伯德圖如圖3所示，電流環(huán)的低頻段以-20 dB/dec的斜率下降，增益為30 dB；中頻段中頻段斜率為-20 dB/dec，并且占據(jù)較寬的帶寬，相角裕度為65.5 deg，符合表 1特性，裕度充足，穩(wěn)定性良好；高頻段以-40 dB/dec下降，系統(tǒng)衰減快，抗干擾能力強(qiáng)。

圖3　電流環(huán)開(kāi)環(huán)傳遞函數(shù)伯德圖

電流環(huán)等效閉環(huán)傳遞函數(shù)為：

代入數(shù)值得：

經(jīng)驗(yàn)證符合近似條件，接入電壓環(huán)中，因等效環(huán)節(jié)輸入量變化，電流環(huán)在電壓環(huán)中處理為：

經(jīng)驗(yàn)證符合斜坡匹配標(biāo)準(zhǔn)，PWM比較器能正常工作。電流環(huán)由開(kāi)環(huán)的雙慣性系統(tǒng)調(diào)整為一階慣性環(huán)節(jié)，閉環(huán)控制改善了控制對(duì)象性能，加快了局部的跟隨作用。

2.3電壓環(huán)控制器設(shè)計(jì)

考慮電壓環(huán)穩(wěn)態(tài)和抗擾性能的要求，將其校正成典型Ⅱ型系統(tǒng)。傳遞函數(shù)為：

式中：Ku為電流調(diào)節(jié)器的比例系數(shù)，τu為電流調(diào)節(jié)器超前時(shí)間常數(shù)。

開(kāi)環(huán)傳遞函數(shù)為：

化為：

式中：KU為電流環(huán)開(kāi)環(huán)增益，TΣu為慣性環(huán)節(jié)時(shí)間常數(shù)。電壓調(diào)節(jié)器參數(shù)由KU和τu決定，按照典型Ⅱ型系統(tǒng)參數(shù)關(guān)系有：

式中h是斜率為-20 dB/dec的中頻段寬度。h越小，上升時(shí)間tr越快，h越大，超調(diào)量σ越小，調(diào)節(jié)時(shí)間ts變化為非線性。h越大，動(dòng)態(tài)降落ΔCmax越大，最大動(dòng)態(tài)降落時(shí)間tm和恢復(fù)時(shí)間tV都越長(zhǎng)，抗干擾性能越差。文中綜合指標(biāo)考慮跟隨性和抗擾性，選擇h=5。依據(jù)公式：

代入數(shù)據(jù)可得KU=7.5×103，則有Ku=0.375，τu=2×10-2，電壓環(huán)開(kāi)環(huán)傳遞函數(shù)：

由圖4所示電壓環(huán)開(kāi)環(huán)傳遞函數(shù)伯德圖可知系統(tǒng)相角裕度為41.1°，系統(tǒng)的穩(wěn)定性符合要求。

圖4　電壓環(huán)開(kāi)環(huán)傳遞函數(shù)伯德圖

3　仿真與實(shí)驗(yàn)

3.1仿真

文中使用Matlab/Simulink建立了移相全橋變換器平均電流模式的雙閉環(huán)控制仿真模型。移相全橋變換器主電路如前圖1所示。輸入直流電壓Uin=540 V；輸出直流電壓Uo=28.5 V；輸出直流電流Io=400 A；諧振電感13；諧振電容4 nF；輸出濾波電感L=160；輸出濾波電容C=3 300 μF；工作頻率f=50 kHz，負(fù)載R為0.071 25 Ω。

圖5　雙閉環(huán)PI反饋控制模型

圖6　電壓突變時(shí)輸入電壓與輸出電流波形

平均電流模式雙閉環(huán)PI反饋控制模塊如圖5所示，系統(tǒng)輸出電壓經(jīng)采樣網(wǎng)絡(luò)采樣后 （圖5中輸入2）與參考信號(hào)Vref進(jìn)行比較、經(jīng)補(bǔ)償器AVR補(bǔ)償后為電流環(huán)提供一個(gè)參考信號(hào)。ACR為電流控制器，將電感電流經(jīng)電流采樣器轉(zhuǎn)換的電壓信號(hào)（圖5中輸入1），與參考電壓進(jìn)行比較、補(bǔ)償，產(chǎn)生控制電壓信號(hào)，輸入PWM移相發(fā)生模塊調(diào)節(jié)系統(tǒng)占空比，從而控制系統(tǒng)輸出。

輸入電壓突變時(shí)輸入電壓與輸出電流波形如圖6所示，系統(tǒng)初始時(shí)輸入電壓為540 V，電壓輸出最大值為25.45 V，超調(diào)量為1.8％，3.7 s達(dá)到穩(wěn)定輸出。5 s時(shí)系統(tǒng)輸入電壓突變?yōu)?00 V，輸出電壓波形最大值為25.75 V，恢復(fù)時(shí)間約為1.5 s，調(diào)節(jié)過(guò)程平滑且無(wú)波動(dòng)。

3.2實(shí)驗(yàn)

為進(jìn)一步驗(yàn)證系統(tǒng)設(shè)計(jì)的正確性，設(shè)計(jì)了一套移相全橋ZVS變換器，由EMI濾波電路，輸入整流濾波電路，主功率變換電路（包括橋式逆變電路、諧振網(wǎng)絡(luò)、高頻變壓器）、輸出整流濾波電路、反饋控制電路、驅(qū)動(dòng)電路、保護(hù)電路等幾部分組成。主功率開(kāi)關(guān)管選擇MOSFET，型號(hào)為HIT公司的K1522，芯片采用移相全橋變換器專用UCC3895，補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)的放大器選擇LM358，輸出整流二極管選用ON公司的MURP20040CT快恢復(fù)二極管，其余參數(shù)依據(jù)仿真結(jié)合實(shí)際進(jìn)行部分調(diào)整。實(shí)驗(yàn)結(jié)果如下：

圖7　Uab與變壓器次級(jí)波形

圖8　電壓和電流反饋信號(hào)波形

由圖7可以看出，原邊波形很干凈，副邊占空比明顯小于原邊，這是移相全橋變換器特有的占空比丟失，一個(gè)周期占空比丟失時(shí)間為1.8 μs，占空比丟失Dloss為8.5％。本電源為抑制輸出整流管電壓震蕩，采用并聯(lián)RC緩沖支路，以將諧振電感中多余的能量消耗在RC支路上。副邊整流管電壓波形可以看出，變壓器副邊整流輸出電壓的電壓尖峰不到輸出電壓幅值的1/5，震蕩次數(shù)少，電壓尖峰和高頻寄生振蕩都得到了很好的抑制。圖8所示為電壓和電流反饋信號(hào)波形，上方為電壓反饋輸出，下方為電流反饋輸出。可知系統(tǒng)反饋信號(hào)及輸出電壓電流穩(wěn)定，系統(tǒng)運(yùn)行可靠，滿足設(shè)計(jì)需求，但紋波較大，今后需進(jìn)一步研究處理。

4　結(jié)　論

文中介紹了基于調(diào)節(jié)器工程設(shè)計(jì)法設(shè)計(jì)的平均電流模式控制的移相全橋變換器設(shè)計(jì)過(guò)程，同時(shí)結(jié)合MATLAB軟件中的 Simulink仿真平臺(tái)對(duì)其進(jìn)行了系統(tǒng)建模，并對(duì)系統(tǒng)輸入電壓和負(fù)載突變等情況進(jìn)行了仿真研究和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，仿真和實(shí)驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證了設(shè)計(jì)的正確性，表明基于工程設(shè)計(jì)法設(shè)計(jì)調(diào)節(jié)器可依據(jù)系統(tǒng)預(yù)想的性能指標(biāo)直接選定參數(shù)，過(guò)程簡(jiǎn)便，操作性強(qiáng)，簡(jiǎn)化了閉環(huán)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。

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Phase-shifted full-bridge converter based on engineering design method

WANG Bo，ZHAO Wen-chun，LIU Sheng-dao
（Naval University of Engineering，Wuhan430033，China）

The traditional double closed-loop control system compensation network design based on the Bode diagram，with heavy workload，trial and some practical experience.The Engineering design method of the regulator is introduced into the design of phase-shifted full-bridge converter.The dynamic modeling of the system is carried out and the design procedure is given.The simulation was carried out with Matlab/Simulink toolbox，and the experimental prototype was constructed.The feasibility of the method is verified，and the design method is proved to have a reasonable and effective design of the closedloop system.

phase-shifted full-bridg；engineering design method；average current mode；double closed-loop control

TN8

A

1674－6236（2016）16-0043-04

2015-08-21稿件編號(hào)：201508115

國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目（51377165）

王 博（1990—），男，山西定襄人，碩士研究生。研究方向：開(kāi)關(guān)電源、智能控制。