陳松伯 張晉
摘要:高頻開關(guān)電源是一種能量轉(zhuǎn)換器,其功率器件主要工作在開關(guān)狀態(tài)而非放大狀態(tài),整體具有頻率高、體積小、功耗低的特點。其中,DC/DC變換可充當(dāng)二次電源,將恒定的直流電壓變換成可調(diào)的直流電壓,在DC/DC變換中,Buck斬波電路是直流斬波電路中最常用、最簡單的電路拓撲。由于在經(jīng)典的Buck斬波電路中只要電子元器件的參數(shù)稍有變化,系統(tǒng)即會發(fā)生振蕩現(xiàn)象;另外,系統(tǒng)的穿越頻率設(shè)計的過低,將會導(dǎo)致系統(tǒng)的響應(yīng)速度很慢,本文借助PID補償網(wǎng)絡(luò)對其進行調(diào)節(jié)校正以減小系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)誤差,借助MATLAB進行幅頻域分析,使新系統(tǒng)補償網(wǎng)絡(luò)能夠很好的實現(xiàn)靜態(tài)與動態(tài)穩(wěn)定。并通過Saber仿真軟件進行了總體閉環(huán)控制的仿真,實現(xiàn)對原系統(tǒng)的改進工作,并將最終設(shè)計好的開關(guān)電源實物平臺進行驗證達到了預(yù)期調(diào)壓減噪的作用。
關(guān)鍵詞:直流斬波技術(shù);開關(guān)電源;Buck電路;PID調(diào)節(jié);saber仿真
0 引言
現(xiàn)階段,電力電子技術(shù)得到迅速發(fā)展,電力電子設(shè)備與人們的生活也隨之變得日益密切,開關(guān)電源技術(shù)在此更是處于核心地位。較線性電源相比,其工作在開關(guān)狀態(tài)而非放大狀態(tài),可以有效地降低開關(guān)損耗問題;較相控電源相比不受功率因數(shù)影響,利用PWM技術(shù)來控制IGBT的導(dǎo)通時間占空比來達到穩(wěn)壓作用。DC/DC變換器包括輸入電路、功率變換電路、輸出電路、控制電路組成,既可以調(diào)節(jié)輸出電壓,還可以有效地抑制電網(wǎng)側(cè)諧波電流噪聲。
通常將直流斬波(DC/DC)變換器作為二次電源,對其功率密度要求甚高。為了解決傳統(tǒng)開關(guān)電源的不穩(wěn)定性問題,現(xiàn)以Buck電路為研究對象,將其設(shè)計方案、拓撲結(jié)構(gòu)進行優(yōu)化,從而提高其穩(wěn)定性和抗干擾性能,進而提高開關(guān)電源的可靠性。Buck降壓變換器作為開關(guān)電源基本拓撲結(jié)構(gòu)中最簡單的一種,能對輸入電壓進行降壓變換,即輸出電壓低于輸入電壓,由于其具有優(yōu)越的變壓功能,因此可以用于需要直接降壓的場合。本文將在已有的Buck電路進行參數(shù)改進,對濾波電感和濾波電容重新設(shè)計,并加入PID調(diào)節(jié)網(wǎng)絡(luò),通過saber軟件對系統(tǒng)進行仿真驗證,最終實現(xiàn)提高系統(tǒng)響應(yīng)速度和降低穩(wěn)態(tài)誤差的作用。
1 Buck電路器件的選型和設(shè)計
1.1 濾波電感的設(shè)計
盡管Buck降壓拓撲電路結(jié)構(gòu)可在不連續(xù)模式下工作,但是一些帶Buck型輸出濾波器的拓撲卻會在不連續(xù)的模式下出現(xiàn)故障,因此,對此類輸出濾波器的拓撲,電感的選擇應(yīng)該保證系統(tǒng)輸出最小規(guī)定電流(通常為額定電流的1/10)時,電感電流也要保持連續(xù),直流電流等于電感電流斜坡峰值一半時對應(yīng)臨界連續(xù),主電路拓撲如圖1所示。
圖1中的電感可表示為
公式
式中:Vdcn和Ion分別是額定輸入電壓和額定輸出電流;dl為斜坡幅值Vdcn=12V;Vo=3V;Io=3A;T=10-5s。將其代入式(2)求得L=40μH。
1.2 濾波電容的設(shè)計
濾波電容的選擇必須滿足輸出紋波的技術(shù)要求,實際所用電容并不必須是理想電容,它可以等效為電阻R和電感L的串聯(lián),頻率在300kHz~500kHz范圍以下時電感L值可以忽略(當(dāng)前設(shè)計為100kHz)不計,這時輸出紋波僅由電阻R和電容C的值決定:
公式
計算求得C=800μF。
2 Buck電路器件的選型和設(shè)計
2.1 原始系統(tǒng)的頻率特性
(1)設(shè)計電壓采樣網(wǎng)絡(luò)。在設(shè)計IGBT開關(guān)調(diào)節(jié)系統(tǒng)時,為了更好的消除穩(wěn)態(tài)誤差e,,需在系統(tǒng)的低頻段(尤其在直流頻率點處)確保開環(huán)傳遞函數(shù)的幅值遠遠大于1,即此時的直流頻率點系統(tǒng)為深度負反饋系統(tǒng)。對于深度負反饋系統(tǒng),參考電壓Vref與輸出電壓Vo。之比是電壓采樣網(wǎng)絡(luò)的傳遞函數(shù),即
公式
(2)繪制原始系統(tǒng)的Bode圖。此時電路工作于電流連續(xù)模式(CCM),若忽略電容等效串聯(lián)電阻(ESR)的影響,對小信號模型進行分析,可得到Buck斬波電路變換器的傳遞函數(shù)為:
公式
其中,交流小信號的電路模型參數(shù)計算如下:
公式
其中,公式,交流小信號模型下的Buck變換器傳遞函數(shù)為:
公式
3)繪制系統(tǒng)開環(huán)傳遞函數(shù)的波特圖。由系統(tǒng)的開環(huán)特性可得開環(huán)傳遞函數(shù):
公式
反向放大器引起了一個-180°固定的相移,這樣就構(gòu)成了一個原始系統(tǒng),其開環(huán)傳遞函數(shù):
公式
根據(jù)式(12)、(13)可以繪制開環(huán)傳遞函數(shù)的幅頻和相頻特性,如圖2所示。
由圖2可知,當(dāng)穿越頻率為fc=1.99kHz時,相位裕度為φM=6°??梢耘袛啻藭r的系統(tǒng)是穩(wěn)定的,但是如果改變系統(tǒng)中的參數(shù),此時系統(tǒng)可能會波動而變得不穩(wěn)定,另外,穿越頻率(為1.99kHz)太低時,系統(tǒng)的響應(yīng)速度會變得很慢。總之,只使用一個高增益的反向放大器作為控制器,不能使對象的控制達到穩(wěn)、準(zhǔn)、快的要求。因此,該經(jīng)典電路需進一步改進。
2.2 補償網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計
將圖2中的穿越頻率fc=1.99kHz,相角裕度6°進行改進,在遠遠小于穿越頻率fc處,給予PD補償網(wǎng)絡(luò)加入零點fz,此時的開環(huán)傳函超前位移就會變得足夠大,以確保原系統(tǒng)有充足的相位裕度。但是,增加零點fz,又帶來了新的問題:例如,如果高頻段增益降低,會使系統(tǒng)的原有斜率從—40dB/dec上升到—20dB/dec;可能使相位裕度達到90°,過大的相位裕度會對其他動態(tài)性能不利。此時可在系統(tǒng)大于零點頻率附近再引入一個極點,即使用PD補.償網(wǎng)絡(luò)來解決以上產(chǎn)生的相角裕度問題。
PD補償網(wǎng)絡(luò)的電路拓撲結(jié)構(gòu)如圖3所示。
PD補償網(wǎng)絡(luò)的傳遞函數(shù)為:
公式
為了提高系統(tǒng)的穿越頻率fc,需要將加入補償網(wǎng)絡(luò)后的開環(huán)傳遞函數(shù)穿越頻率fc變成原開關(guān)頻率fs的1/20,即:公式。
在原系統(tǒng)5kHz處,幅頻特性的幅值為:
公式
經(jīng)過以上調(diào)節(jié)使系統(tǒng)在fc=5kHz穿越頻率處,T(jwc)=0.126。設(shè)此時的相位裕量φM=52°,,則PD補償網(wǎng)絡(luò)的零、極點頻率計算公式為:
零點頻率:
公式
PD補償網(wǎng)絡(luò)直流增益為:
公式
根據(jù)式(19)中的傳遞函數(shù),利用MATLAB繪出系統(tǒng)的超前補償網(wǎng)絡(luò)傳遞函數(shù)的波特圖如圖4所示。
由圖4可以看出,當(dāng)穿越頻率為fc=5.1kHz,相角裕度為時,穿越頻率符合約定的頻率范圍內(nèi)(2.2kHz~8.3kHz),此時開環(huán)傳遞函數(shù)的相位裕度。此時可以發(fā)現(xiàn),只要系統(tǒng)中的電子器件的值稍加變化,穿越頻率會稍稍偏離5.1kHz,這時對相位裕度影響較小。由于在0kHz~1kHz范圍內(nèi),幅頻特性曲線是平緩的,因此,系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)誤差大。據(jù)此,可以通過在PID補償網(wǎng)絡(luò)的加入倒置零點解決以上問題。
2.3 PID補償網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計
改進的PID補償網(wǎng)絡(luò)的電路模型如圖5所示,根據(jù)其拓撲電路可推出傳遞函數(shù)為:
公式
在這里,引入倒置零點的目的是改善開環(huán)傳遞函數(shù)的低頻特性,但是并不希望因此改變開環(huán)傳遞函數(shù)的中高頻段特性。假設(shè)選擇倒置零點的頻率fl為穿越頻率fc的1/10,則有
公式
改進后的PID補償網(wǎng)絡(luò)的傳遞函數(shù)為:
公式
根據(jù)PID補償網(wǎng)絡(luò)的傳遞函數(shù)可以得到調(diào)整后的波特圖,如圖6所示。
取Rf=10k,計算得Cf=3.2nF,Rip=434,Riz=3.2k,Ci=28.6nF。
由圖6中可知,當(dāng)fc=5.16kHz時,相位裕度為φM≈49°.在高頻段f>fp時,曲線在—40dB/dec時的斜率下降,在此范圍內(nèi)可有效地抑制高頻干擾。
3 總電路圖的仿真與實驗
Buck電路的開關(guān)管選用P溝道MOSFET,開關(guān)管的驅(qū)動采用SG3525芯片,SG3525是一種性能優(yōu)良、功能齊全和通用性強的單片集成PWM控制芯片,它簡單可靠及使用方便靈活,輸出驅(qū)動為推拉輸出形式,驅(qū)動能力強;其內(nèi)部含有的欠壓鎖定電路、軟啟動控制電路等,具有過流保護、頻率可調(diào)功能,同時能限制最大占空比,防止溢出。
利用Saber仿真軟件,對系統(tǒng)進行仿真,能夠得到系統(tǒng)的輸出響應(yīng)曲線,通過仿真曲線可以得出,輸出的電壓平均值為3.34V,紋波峰峰值為0.108V,滿足設(shè)計要求。仿真波形如圖7所示。
由圖7可以看出,實際仿真的電壓曲線與理論上的電壓值還有一些誤差存在,其中,曲線的超調(diào)還是稍大,同時系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)誤差仍然存在,給系統(tǒng)的穩(wěn)定性帶來一定的安全隱患。為此,需要對以上系統(tǒng)參數(shù)進行重新設(shè)置,以確保穩(wěn)態(tài)誤差盡可能降為零。
對PID補償網(wǎng)絡(luò)的參數(shù)進行整定后,使得Rf=10k,Cf=1nF,Rip=510,Ci=100nF。以此參數(shù)進行仿真并與原仿真結(jié)果進行比較,此時系統(tǒng)響應(yīng)如圖8所示。
從圖8中曲線中可以明顯的看出,經(jīng)過調(diào)整后的系統(tǒng)電壓變化曲線較修正之前的電壓曲線相比,在調(diào)整時間不變的前提下,使系統(tǒng)的超調(diào)量大大減小,并且保證了系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)誤差為零,大大提升了系統(tǒng)的抗擾性能。
4 展望
DC/DC斬波技術(shù)的高速發(fā)展,使得開關(guān)電源技術(shù)趨向高性能化、智能化、集成化、模塊化的方向發(fā)展。并且在此基礎(chǔ)上,逐漸推出了新的DC/DC變換器技術(shù),例如VRM技術(shù),要求其負載電流的響應(yīng)速度更快速,在體積足夠小的前提下,確保電力電子器件的高效率。又如,為了應(yīng)對開關(guān)電源趨于高頻化發(fā)展后造成的開關(guān)器件損耗大增的問題,將軟開關(guān)技術(shù)應(yīng)用到了DC/DC變換器中,以達到減少開關(guān)損耗、提高效率的功能。
隨著新型電子器件和拓撲結(jié)構(gòu)的出現(xiàn),開關(guān)電源將實現(xiàn)高頻化、模塊化、綠色化和智能化的集成,并且將應(yīng)用到更廣泛的領(lǐng)域。
5 結(jié)論
隨著大規(guī)模集成電路的高速發(fā)展,要求開關(guān)電源模塊趨于小型化,在其設(shè)計過程中需不斷提高開關(guān)頻率,開發(fā)和設(shè)計新型的電路拓撲結(jié)構(gòu),本文提出的PID調(diào)解網(wǎng)絡(luò)模式下的Buck直流斬波電路可代替普通變阻器實現(xiàn)調(diào)壓和節(jié)能的功效。開關(guān)電源的輸出電壓如果超出正常范圍,會對通信設(shè)備造成損壞,所以在其輸出端設(shè)計輸出電壓保護,一旦輸出電壓超過給定值,開關(guān)電源會將輸出閉鎖,達到過壓保護作用。在電力電子技術(shù)的應(yīng)用及各種電源系統(tǒng)中,開關(guān)電源技術(shù)均處于核心位置。以傳統(tǒng)的大型電路為例,若采用高頻開關(guān)電源技術(shù)會降低整套系統(tǒng)的體積,而且可極大提高電源利用效率、節(jié)省材料、降低成本。就目前來看,開關(guān)電源必將在未來的電力電子技術(shù)應(yīng)用中起到關(guān)鍵的作用。
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