移相全橋變換器電壓模式控制器的設(shè)計(jì)與仿真

張濤，劉勝道，祝小雨

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移相全橋變換器電壓模式控制器的設(shè)計(jì)與仿真

張濤，劉勝道，祝小雨

（海軍工程大學(xué)電氣工程學(xué)院，武漢 430033）

本文設(shè)計(jì)了一款ZVS移相全橋變換器，給出了移相全橋變換器的小信號(hào)模型。在小信號(hào)模型基礎(chǔ)上，采用Matlab軟件設(shè)計(jì)了電壓模式控制器。最后采用Saber軟件對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行了仿真。仿真結(jié)果表明電壓模式控制器是可行的，系統(tǒng)能夠正常運(yùn)行。

移相全橋變換器 電壓模式控制 Matlab Saber

0 引言

在開(kāi)關(guān)電源的設(shè)計(jì)與研發(fā)中，開(kāi)關(guān)變換器控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)是非常重要的一個(gè)環(huán)節(jié)，它的好壞直接決定著電源的性能和質(zhì)量。目前主要的控制方式有電壓模式和電流模式兩種，電流模式補(bǔ)償簡(jiǎn)單，環(huán)路響應(yīng)快，但是它的數(shù)學(xué)模型比較難得到；電壓模式補(bǔ)償稍復(fù)雜，但是它的數(shù)學(xué)模型比較容易得到[1]。本文采用電壓模式控制，在移相全橋變換器小信號(hào)模型的基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)了電壓模式控制器，并用Saber軟件進(jìn)行了仿真，仿真結(jié)果表明電壓模式控制器是可行的。

1 ZVS移相全橋變換器參數(shù)

本文設(shè)計(jì)了一款ZVS移相全橋變換器，并進(jìn)行了仿真實(shí)驗(yàn)。全橋變換器采用UC3875N芯片控制，其主要參數(shù)如下：輸入直流電壓in=220～360 V，額定輸出電壓o=25 V，變壓器副原邊匝比=1/6，開(kāi)關(guān)頻率=50 kHz，諧振電感及變壓器漏感r=8.18mH，輸出濾波電感=25mH，濾波電容=500mF，等效串聯(lián)電阻（ESR）c=0.13 Ω，負(fù)載電阻=0.25 Ω，基準(zhǔn)電壓ref=2.5V，UC3875N的PWM鋸齒波峰值M=3.23V。

2 移相全橋變換器小信號(hào)模型

狀態(tài)空間平均法是變換器小信號(hào)建模的一個(gè)常用方法。文獻(xiàn)[2]給出了ZVZCS移相全橋變換器的小信號(hào)等效電路模型和主電路控制-輸出的傳遞函數(shù)。ZVS移相全橋變換器的小信號(hào)等效電路模型和控制-輸出的傳遞函數(shù)與ZVZCS類似，可得ZVS移相全橋變換器控制-輸出的傳遞函數(shù)vd(s)：

其中：d=2Lf

3 電壓模式控制器的設(shè)計(jì)

電壓模式控制的基本思想：輸出電壓經(jīng)采樣后與給定的基準(zhǔn)電壓相比較，所得的誤差送補(bǔ)償放大環(huán)節(jié)，再經(jīng)脈沖寬度調(diào)制，得到一系列控制用的脈沖序列，控制變換器中功率開(kāi)關(guān)器件的通斷，達(dá)到穩(wěn)定輸出電壓的目的。通常，把補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)和電壓采樣網(wǎng)絡(luò)合并，稱為電壓模式控制器，把電壓模式控制器之外的環(huán)節(jié)稱為控制對(duì)象[3]。

圖1是電壓模式控制原理框圖：G()是主電路控制-輸出傳遞函數(shù)，M()是PWM傳遞函數(shù)，()是電壓采樣網(wǎng)絡(luò)的傳遞函數(shù)，c()是補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)傳遞函數(shù)。

圖1 電壓模式控制原理框圖

要設(shè)計(jì)反饋回路使閉環(huán)系統(tǒng)穩(wěn)定，必須先求出系統(tǒng)的開(kāi)環(huán)傳遞函數(shù)。將ZVS移相全橋電路參數(shù)代入（1）式，得到主電路控制-輸出的傳遞函數(shù)G()：

PWM傳遞函數(shù)M()=1/M=1/3.23，電壓采樣網(wǎng)絡(luò)的傳遞函數(shù)()=ref/o= 2.5/25，可得系統(tǒng)未補(bǔ)償前的開(kāi)環(huán)傳遞函數(shù)G()：

采用Matlab軟件對(duì)未補(bǔ)償前開(kāi)環(huán)系統(tǒng)進(jìn)行頻域分析，系統(tǒng)開(kāi)環(huán)波特圖如圖2所示，未補(bǔ)償前開(kāi)環(huán)系統(tǒng)的相位裕量101°；低頻段增益約3.95 dB，過(guò)小；穿越頻率為1.66 kHz，過(guò)小，開(kāi)關(guān)電源的穿越頻率一般應(yīng)設(shè)置為開(kāi)關(guān)頻率的1/10-1/5；系統(tǒng)增益過(guò)ESR零點(diǎn)后以-1的斜率下降，抗高頻干擾能力較弱。因此，需要進(jìn)行補(bǔ)償。

常用的補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)有三種，分別稱為1型、2型和3型。1型補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)只有一個(gè)零點(diǎn)，只能用于電流模式控制；3型補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)功能最強(qiáng)大，但是網(wǎng)絡(luò)復(fù)雜，設(shè)計(jì)比較麻煩；對(duì)于一般的電路，2型補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)已經(jīng)夠用[1]。本文采用2型補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行校正，2型補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)有一個(gè)零點(diǎn)，兩個(gè)極點(diǎn)，其中一個(gè)是零極點(diǎn)，如圖3所示：圖中R1與R3組成電壓采樣網(wǎng)絡(luò)，R1既是電壓采樣網(wǎng)絡(luò)的一部分，也是2型補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)的一部分，R3不屬于2型補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)，故采用虛線表示。

圖2 未補(bǔ)償前系統(tǒng)開(kāi)環(huán)波特圖

2型補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)傳遞函數(shù)c()：

利用2型補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行補(bǔ)償時(shí)，我們將穿越頻率設(shè)置為開(kāi)關(guān)頻率的1/10，即5 kHz。一般情況下將2型補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)的零點(diǎn)配置在LC雙重極點(diǎn)附近，將高頻極點(diǎn)配置在ESR零點(diǎn)附近，然后再利用Matlab進(jìn)行優(yōu)化，最終得到2型補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)傳遞函數(shù)Gc(s)：

補(bǔ)償后系統(tǒng)開(kāi)環(huán)波特圖和閉環(huán)階躍響應(yīng)曲線如圖4所示，低頻段增益明顯增大，穿越頻率為6.13 kHz，幅值裕量無(wú)窮大，相位裕量為59.3°，高頻段以-2的斜率快速衰減，抗高頻干擾能力強(qiáng)。系統(tǒng)調(diào)節(jié)時(shí)間約0.591 ms，超調(diào)量約10%，系統(tǒng)能迅速穩(wěn)定運(yùn)行。

圖4 補(bǔ)償后系統(tǒng)開(kāi)環(huán)波特圖和閉環(huán)階躍響應(yīng)曲線

電壓采樣網(wǎng)絡(luò)采用電阻分壓網(wǎng)絡(luò)，由1/3=o/ref-1=9知，可取1=9 kΩ，3=1 kΩ。經(jīng)計(jì)算：2=54 kΩ，1=18.5 pF，2=7.4 nF，即可得到電壓模式控制器。

4 仿真實(shí)驗(yàn)

本文采用Saber軟件對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行仿真，主要模擬輸入電壓波動(dòng)和負(fù)載電阻突變對(duì)系統(tǒng)的影響，具體參數(shù)設(shè)置如表1。

表1 參數(shù)設(shè)置表

仿真結(jié)果如圖5所示，Vin曲線表示輸入電壓，Vo曲線表示輸出電壓，從圖中可以看出輸入電壓波動(dòng)對(duì)系統(tǒng)基本無(wú)影響，負(fù)載電阻突變會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)出現(xiàn)短暫不穩(wěn)定，但很快又回到穩(wěn)定狀態(tài)。仿真結(jié)果表明，本文設(shè)計(jì)的電壓模式控制器是可行的，電路能迅速穩(wěn)定運(yùn)行。

5 結(jié)論

本文在移相全橋變換器小信號(hào)模型的基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)了電壓模式控制器，并進(jìn)行了仿真。仿真結(jié)果表明，電壓模式控制器是可行的，系統(tǒng)能迅速穩(wěn)定運(yùn)行。由于條件限制，未進(jìn)行實(shí)際的電路實(shí)驗(yàn)。在實(shí)際的電路中，由于輸出電容的串聯(lián)等效電阻不是定值，會(huì)受線路長(zhǎng)度、溫度、使用時(shí)間等因素影響而變化[1]。因此，實(shí)際中要在理論設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上反復(fù)進(jìn)行調(diào)試，得到一個(gè)最佳的參數(shù)。

[1] （美）馬尼克塔拉（Maniktala,S.）著；王志強(qiáng)等譯. 精通開(kāi)關(guān)電源設(shè)計(jì)[M]. 北京：人民郵電出版社, 2008: 183-223.

[2] 陳咸豐. 移相控制ZVZCS全橋變換器的研究與應(yīng)用[D]. 南京：河海大學(xué)碩士論文，2006: 13-19.

[3] 張衛(wèi)平. 開(kāi)關(guān)變換器的建模與控制[M]. 北京：中國(guó)電力出版社，2005: 1-31，124-130.

[4] 黃忠霖，周向明. 控制系統(tǒng)MATLAB計(jì)算及仿真實(shí)訓(xùn)[M]. 北京：國(guó)防工業(yè)出版社, 2006: 223-233.

[5] 陳國(guó)超，張昆侖. 移相全橋ZVSZCS雙閉環(huán)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J]. 通信電源技術(shù), 2010, 27(5): 20-23.

Design and Simulation of Voltage-mode-controller of Phase-shift Full-bridge Converter

Zhang Tao, Liu Shengdao, Zhu Xiaoyu

（College of Electric Engineering, Naval University of Engineering, Wuhan 430033, China）

TM461

A

1003-4862（2013）10-0028-03

2013-02-25

張濤（1984-），男，碩士研究生。研究方向：電磁環(huán)境與防護(hù)技術(shù)。