一種基于雙環(huán)控制的S?FB?ZVS?PWM變換器研究

李洋+李莉

摘 要： 提出采用三端PWM開(kāi)關(guān)模型法建立PS?FB?ZVS?PWM變換器的平均電路小信號(hào)模型。分析并推導(dǎo)出PS?FB?ZVS?PWM變換器的傳遞函數(shù)，設(shè)計(jì)了電流內(nèi)環(huán)功率外環(huán)的雙環(huán)控制算法，并分析了基于雙環(huán)控制的開(kāi)環(huán)傳遞函數(shù)幅頻和相頻特性，最后通過(guò)PSIM仿真軟件搭建了變換器的仿真模型。實(shí)驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證了基于雙環(huán)控制的PS?FB?ZVS?PWM變換器可以很好地實(shí)現(xiàn)對(duì)輸出功率的控制。

關(guān)鍵詞： PS?FB?ZVS?PWM； 三端PWM開(kāi)關(guān)模型； 占空比損失； 雙環(huán)控制

中圖分類(lèi)號(hào)： TN911?34 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A 文章編號(hào)： 1004?373X（2014）16?0144?04

Study of PS?FB?ZVS?PWM converter based on dual closed?loop control

LI Yang1， LI Li2

（1. Beijing institute of Petrochemical Technology， Beijing 102617， China； 2. Beijing Electronic Science & Technology Institute， Beijing 100070， China）

Abstract： A method that the three?terminal PWM switch model is adopted to establish small signal model of average circuit in PS?FB?ZVS?PWM convertor is proposed in this paper. The transfer functions of PS?FB?ZVS?PWM converter are derived and analyzed. The dual closed?loop （current inner loop and power outer loop） control algorithm was designed. The amplitude frequency and phase frequency characteristics of open?loop transfer functions based on dual loop control are analyzed in this paper. The simulation model of the converter was built with the simulation software PSIM. The simulated results indicate that PS?FB?ZVS?PWM converter with dual closed?loop control can achieve the output power control well.

Keywords： PS?FB?ZVS?PWM； three?terminal PWM model； duty ratio loss； dual loop control

在大功率變換場(chǎng)合，移相全橋軟開(kāi)關(guān)變換器應(yīng)用非常廣泛。而在實(shí)際電路中，由于移相全橋電路中功率開(kāi)關(guān)管參數(shù)以及驅(qū)動(dòng)電路的不一致性，會(huì)導(dǎo)致高頻變壓器原邊正負(fù)脈沖不對(duì)稱(chēng)，即在交流電壓中含有直流分量。由于高頻變壓器原邊繞組電阻很小，若此直流分量長(zhǎng)時(shí)間作用，則會(huì)導(dǎo)致鐵芯直流磁化甚至飽和，使變換器不能正常工作。

通?？稍诟哳l變壓器原邊電路中串聯(lián)一個(gè)隔直電容，該電容上承受了直流分量，使得變壓器原邊只有交流電壓成分，從而消除了直流磁化的問(wèn)題。

本文針對(duì)帶隔直電容的PS?FB?ZVS?PWM變換器，提出了采用三端PWM開(kāi)關(guān)模型法建立小信號(hào)模型的方法，搭建電流內(nèi)環(huán)功率外環(huán)的控制方案。

1 PS?FB?ZVS?PWM變換器

PS?FB?ZVS?PWM變換器的主電路如圖1所示，其中：[Vin]為直流輸入電壓；[Q1]～[Q4]為四個(gè)功率開(kāi)關(guān)管；[Dn]，[Cn]（n=1，2，3，4）分別是功率開(kāi)關(guān)管[Qn]的反并聯(lián)二極管和內(nèi)部寄生電容；[Lr]為變壓器原邊漏感；[Cb]為隔直電容；[Lf]和[Cf]為輸出濾波電感和濾波電容；T為高頻變壓器；[D5]和[D6]為輸出整流二極管；[RL]為負(fù)載。

圖1 PS?FB?ZVS?PWM變換器主電路

圖2為全橋電路四個(gè)功率開(kāi)關(guān)管的驅(qū)動(dòng)脈沖波形和主要工作波形，其中 [Q1]和[Q2]分別超前[Q4]和[Q3]一個(gè)相位，因此稱(chēng)[Q1]和[Q2]所在的橋臂為超前臂，[Q3]和[Q4]所在的橋臂為滯后臂。每個(gè)橋臂上下開(kāi)關(guān)管的驅(qū)動(dòng)脈沖互補(bǔ)，對(duì)角開(kāi)關(guān)管的驅(qū)動(dòng)脈沖相差一個(gè)相位，即移相角，通過(guò)調(diào)節(jié)移相角的大小，可以控制輸出電壓的大小。

圖2 主要工作波形

2 PS?FB?ZVS?PWM變換器的小信號(hào)平均電路模型

三端PWM開(kāi)關(guān)，如圖3（a）所示。對(duì)三端PWM開(kāi)關(guān)進(jìn)行小信號(hào)分析，可得三端PWM開(kāi)關(guān)在連續(xù)導(dǎo)電模式下的小信號(hào)平均電路模型[2]，如圖3（b）所示。傳統(tǒng)Buck電路拓?fù)淙鐖D4（a）所示，其中用虛線框標(biāo)示的部分可以看出是三端PWM開(kāi)關(guān)，其Buck電路的小信號(hào)等效電路模型化簡(jiǎn)后可以得到圖4（b）所示的小信號(hào)模型。

圖3 三端PWM開(kāi)關(guān)模型

PS?FB?ZVS?PWM變換器是由Buck型PWM變換器衍生出來(lái)，其電路拓?fù)淙鐖D5所示。假設(shè)圖5中[p]和[p′]連在一起，則圖中虛線框部分可以等效為一個(gè)三端PWM開(kāi)關(guān)模型。PS?FB?ZVS?PWM變換器與Buck變換器的不同之處在于它存在占空比損失問(wèn)題。這是由于全橋變換器中變壓器原邊漏感和副邊整流二極管的影響，使得由開(kāi)關(guān)管[Q1]，[Q4]導(dǎo)通到變壓器副邊電壓升到[nVin]存在一段時(shí)間的延遲，從而引起占空比丟失現(xiàn)象。PS?FB?ZVS?PWM變換器小信號(hào)模型中的。有效占空比[Deff]與輸入電壓[Vin]，輸出濾波電感電流[IL]、原邊占空比[D]等有關(guān)。當(dāng)[Vin]，[IL]，[D]存在小信號(hào)擾動(dòng)時(shí)，也會(huì)引起有效占空比[Deff]的變化，假設(shè)以上三種不同的擾動(dòng)對(duì)[Deff]產(chǎn)生的三種對(duì)應(yīng)的擾動(dòng)量為[dv]，[di]，[dd]，則有效占空比[Deff]的擾動(dòng)量為：

[deff=dv+di+dd] （1）

因此，將Buck變換器的小信號(hào)平均電路模型中[d→deff]、[D→Deff]，就可以得到PS?FB?ZVS?PWM開(kāi)關(guān)變換器的小信號(hào)模型等效電路如圖6所示。

圖4 Buck變換器與小信號(hào)模型

圖5 PS?FB?ZVS?PWM變換器電路拓?fù)?/p>

對(duì)于輸出濾波環(huán)節(jié)的傳遞函數(shù)[Ho（s）]為：

[Ho（s）=vovi=1sC//RsL+1sC//R=1s2LC+sLR+1=1Δf] （2）

則濾波環(huán)節(jié)的輸入阻抗為：

[Zf=vi（s）ii（s）=vi（s）vo（s）1sC//R=R1+sCRΔf] （3）

圖6 PS?FB?ZVS?PWM變換器的小信號(hào)平均電路模型

濾波環(huán)節(jié)的輸出阻抗為：

[Zo=vo（s）io（s）=vo（s）vo（s）sL//1sC//R=sL1+sLR+s2LC=sLΔf] （4）

令[vin（s）=0]，由式（1）可得[dv=0]，可求得輸出電壓[vo（s）]對(duì)控制變量[d（s）]的傳遞函數(shù)[Gvd（s）]：

[Gvd（s）=vo（s）d（s）vin（s）=0=nVins2LC+s（LR+RdC）+RdR+1] （5）

同時(shí)可得輸出濾波電感電流[iL（s）]對(duì)控制變量[d（s）]的傳遞函數(shù)[Gid（s）]

[Gid（s）=iL（s）d（s）vin（s）=0=nVin（sC+1/R）s2LC+s（L/R+RdC）+Rd/R+1] （6）

3 PS?FB?ZVS?PWM 變換器的閉環(huán)控制設(shè)計(jì)

對(duì)PS?FB?ZVS?PWM變換器采用電流內(nèi)環(huán)功率外環(huán)進(jìn)行控制?？赏茖?dǎo)出基于平均電流控制的雙閉環(huán)控制模型，如圖7所示。圖中[Kv]，[Ki]分別為輸出電壓和電流的采樣網(wǎng)絡(luò)的比例系數(shù)，[Gv（s）]，[Gi（s）]為電壓環(huán)和電流環(huán)的補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)的傳遞函數(shù)，[KPWM]為鋸齒波比例系數(shù)，[Gid（s）]是輸出電感電流到控制變量[d（s）]的傳遞函數(shù)，[Gvd（s）]是輸出電壓到控制變量[d（s）]的傳遞函數(shù)。

圖7 PS?FB?ZVS?PWM變換器雙閉環(huán)控制框圖

可知，電流內(nèi)環(huán)的開(kāi)環(huán)傳遞函數(shù)為：

[Gio（s）=Gi（s）KPWMGid（s）Ki] （7）

則電流內(nèi)環(huán)的閉環(huán)傳遞函數(shù)為：

[Gis（s）=Gi（s）KPWM1+Gio（s）] （8）

因此，PS?FB?ZVS?PWM變換器閉環(huán)控制系統(tǒng)的開(kāi)環(huán)傳遞函數(shù)為：

[Gvo（s）=Gv（s）Gis（s）Gvd（s）Kv] （9）

PS?FB?ZVS?PWM變換器的參數(shù)為：[Vin]=600 V，[V0]=60 V，[fs]=20 kHz，[Lr]=8 μH，[Ns∶Np=1∶7]，[Lf]=14 μH，[Cf]=4 000 μF，R=0.096 Ω。用Matlab計(jì)算出以電流內(nèi)環(huán)功率外環(huán)控制PS?FB?ZVS?PWM變換器的開(kāi)環(huán)幅頻和相頻特性，如圖8所示。由圖中可知，雙環(huán)控制系統(tǒng)的相角裕度為95°，以-20 dB/（°）的斜率穿過(guò)0 dB線，且具有較寬的中頻段寬度。高頻段的幅值較小，具有較好的抗高頻干擾能力，因此系統(tǒng)具有優(yōu)良的動(dòng)態(tài)性能。

圖8 PS?FB?ZVS?PWM變換器的閉環(huán)控制

開(kāi)環(huán)傳遞函數(shù)的頻率特性曲線

4 PS?FB?ZVS?PWM 變換器的閉環(huán)控制仿真

采用PSIM軟件，搭建了PS?FB?ZVS?PWM變換器的仿真模型，如圖9所示。

圖9 移相全橋主電路仿真模型

采用電流內(nèi)環(huán)功率外環(huán)的雙環(huán)控制，控制環(huán)路如圖10（a）所示。圖10（b）為PI算法，通過(guò)對(duì)輸出端的電壓和電流進(jìn)行采樣，再分別乘以采樣比例系數(shù)，將電壓和電流相乘得到功率的反饋量，與功率的給定值進(jìn)行比較后經(jīng)PI算法計(jì)算得到最終的PWM脈沖波形，從而控制全橋電路中功率開(kāi)關(guān)管的通斷。

開(kāi)關(guān)管T1，T2，T3，T4的驅(qū)動(dòng)脈沖仿真波形如圖11所示，由圖中可知同一橋臂的上下管之間設(shè)有死區(qū)時(shí)間，通過(guò)控制全橋電路對(duì)角開(kāi)關(guān)管驅(qū)動(dòng)脈沖的移相角，以實(shí)現(xiàn)對(duì)電源輸出功率的控制。

圖10 移相全橋的控制電路仿真模型

圖11 移相全橋四個(gè)開(kāi)關(guān)管的驅(qū)動(dòng)脈沖

PS?FB?ZVS?PWM變換器的輸出電壓和電流仿真波形如圖12所示，由圖中可看出以電流內(nèi)環(huán)功率外環(huán)的控制策略很好的解決了移相全橋的輸出功率跟隨功率給定的問(wèn)題。

圖12 PS?FB?ZVS?PWM變換器的輸出電壓和電流仿真波形

變壓器原邊的電壓、電流波形和隔直電容上的電壓波形如圖13所示，驗(yàn)證了本電路的設(shè)計(jì)可以很好地實(shí)現(xiàn)移相全橋軟開(kāi)關(guān)的效果。

圖13 變壓器原邊電壓、電流波形和隔直電容的電壓波形

5 結(jié) 論

本文通過(guò)對(duì)PS?FB?ZVS?PWM變換器的工作原理進(jìn)行詳細(xì)分析，提出了采用三端PWM開(kāi)關(guān)模型法建立變換器的小信號(hào)平均電路模型，由于移相全橋電路是Buck型變換器衍生出來(lái)的，因此可以先用三端PWM模型法推導(dǎo)Buck電路的小信號(hào)模型，再推廣到PS?FB?ZVS?PWM變換器，不過(guò)由于PS?FB?ZVS?PWM變換器存在占空比損失問(wèn)題，因此不能簡(jiǎn)單的套用Buck電路的小信號(hào)模型。根據(jù)PS?FB?ZVS?PWM變換器的小信號(hào)平均電路模型推導(dǎo)出變換器的傳遞函數(shù)。并設(shè)計(jì)了電流內(nèi)環(huán)功率外環(huán)的控制方案，從其閉環(huán)控制傳遞函數(shù)的開(kāi)環(huán)對(duì)數(shù)頻率特性驗(yàn)證了該控制環(huán)具有很好的響應(yīng)特性。最后通過(guò)PSIM軟件，搭建了變換器的仿真模型，通過(guò)仿真結(jié)果驗(yàn)證了基于電流內(nèi)環(huán)功率外環(huán)的控制方案很好的解決了PS?FB?ZVS?PWM變換器的功率控制問(wèn)題。

參考文獻(xiàn)

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圖13 變壓器原邊電壓、電流波形和隔直電容的電壓波形

5 結(jié) 論

本文通過(guò)對(duì)PS?FB?ZVS?PWM變換器的工作原理進(jìn)行詳細(xì)分析，提出了采用三端PWM開(kāi)關(guān)模型法建立變換器的小信號(hào)平均電路模型，由于移相全橋電路是Buck型變換器衍生出來(lái)的，因此可以先用三端PWM模型法推導(dǎo)Buck電路的小信號(hào)模型，再推廣到PS?FB?ZVS?PWM變換器，不過(guò)由于PS?FB?ZVS?PWM變換器存在占空比損失問(wèn)題，因此不能簡(jiǎn)單的套用Buck電路的小信號(hào)模型。根據(jù)PS?FB?ZVS?PWM變換器的小信號(hào)平均電路模型推導(dǎo)出變換器的傳遞函數(shù)。并設(shè)計(jì)了電流內(nèi)環(huán)功率外環(huán)的控制方案，從其閉環(huán)控制傳遞函數(shù)的開(kāi)環(huán)對(duì)數(shù)頻率特性驗(yàn)證了該控制環(huán)具有很好的響應(yīng)特性。最后通過(guò)PSIM軟件，搭建了變換器的仿真模型，通過(guò)仿真結(jié)果驗(yàn)證了基于電流內(nèi)環(huán)功率外環(huán)的控制方案很好的解決了PS?FB?ZVS?PWM變換器的功率控制問(wèn)題。

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圖13 變壓器原邊電壓、電流波形和隔直電容的電壓波形

5 結(jié) 論

本文通過(guò)對(duì)PS?FB?ZVS?PWM變換器的工作原理進(jìn)行詳細(xì)分析，提出了采用三端PWM開(kāi)關(guān)模型法建立變換器的小信號(hào)平均電路模型，由于移相全橋電路是Buck型變換器衍生出來(lái)的，因此可以先用三端PWM模型法推導(dǎo)Buck電路的小信號(hào)模型，再推廣到PS?FB?ZVS?PWM變換器，不過(guò)由于PS?FB?ZVS?PWM變換器存在占空比損失問(wèn)題，因此不能簡(jiǎn)單的套用Buck電路的小信號(hào)模型。根據(jù)PS?FB?ZVS?PWM變換器的小信號(hào)平均電路模型推導(dǎo)出變換器的傳遞函數(shù)。并設(shè)計(jì)了電流內(nèi)環(huán)功率外環(huán)的控制方案，從其閉環(huán)控制傳遞函數(shù)的開(kāi)環(huán)對(duì)數(shù)頻率特性驗(yàn)證了該控制環(huán)具有很好的響應(yīng)特性。最后通過(guò)PSIM軟件，搭建了變換器的仿真模型，通過(guò)仿真結(jié)果驗(yàn)證了基于電流內(nèi)環(huán)功率外環(huán)的控制方案很好的解決了PS?FB?ZVS?PWM變換器的功率控制問(wèn)題。

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