基于MATLAB/Simulink的原邊反饋反激式變換器的仿真研究

孫博海 胡桂明 郭向威

摘 ? 要：闡述了原邊反饋反激變換器的工作原理，論述了原邊反饋反激變換器的優(yōu)點(diǎn)，最后在MATLAB/Simulink中進(jìn)行了建模與仿真。MATLAB/Simulink作為常用的研究軟件，在反激變換器這一領(lǐng)域往往著眼于常規(guī)副邊反饋的仿真研究，鮮有原邊反饋的相關(guān)闡述。對(duì)某種原邊恒流反饋的反激變換器進(jìn)行仿真探討，為實(shí)際電路的設(shè)計(jì)提供了方便。

關(guān)鍵詞：反激變換器;原邊反饋;建模與仿真

中圖分類(lèi)號(hào)：TM46 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

Simulation Study of Primary Side Regulated

Flyback Converter Based on MATLAB/Simulink

SUN Bo-hai？覮，HU Gui-ming，GUO Xiang-wei

（College of Electrical Engineering，Guangxi University，Nanning，Guangxi 530004，China）

Abstract：The paper studies the working principle of the primary side regulated flyback converter，and discusses the advantages of the secondary side regulated flyback converter. At last，the paper makes modeling and simulation in the MATLAB/Simulink. As a commonly used research software，MATLAB/Simulink often focuses on the simulation research of the traditional secondary side regulated flyback converter. There are few related descriptions of primary side regulated feedback converter in the MATLAB/Simulink. The paper makes a decision to simulate the constant current feedback of primary side regulated flyback converter. The paper provides convenience for the practical circuit design of primary side regulated flyback converter.

Key words：flyback converter;primary side regulated;modeling and simulation

MATLAB/Simulink作為常用的研究軟件，在反激變換器這一領(lǐng)域往往著眼于常規(guī)副邊反饋的仿真研究，鮮有原邊反饋的相關(guān)闡述。對(duì)某種原邊恒流反饋的反激變換器進(jìn)行仿真探討，可以為實(shí)際電路的設(shè)計(jì)提供方便。

1 ? 原邊反饋反激變換器

圖1為原邊反饋反激變換器的基本結(jié)構(gòu)，其與傳統(tǒng)的副邊反饋反激變換器所不同的地方是副邊反饋反激變壓器往往是通過(guò)采樣副邊電壓，再配合TL431和光電耦合器從而實(shí)現(xiàn)完全的電氣隔離[1]。但考慮到TL431和光電耦合器的成本對(duì)于整體電路而言較高，光電耦合器本身的受命也制約了電源，且所需元器件繁雜[2]。因此，對(duì)于一些小功率場(chǎng)合，往往希望一種穩(wěn)定性更高，成本更低，電路更簡(jiǎn)潔的電路拓?fù)鋄3]。

在此情況之下，一些公司推出了原邊反饋方式的反激變換器，顧名思義，這種控制方式的反激變換器是通過(guò)采樣原邊信號(hào)，從而實(shí)現(xiàn)控制，穩(wěn)定輸出[4]。它在原邊增加了一個(gè)線(xiàn)圈用來(lái)輔助采樣，取代了傳統(tǒng)副邊反饋所需要的TL431和光電耦合器。無(wú)論在成本還是設(shè)計(jì)難度上都優(yōu)化了許多[5]。

原邊反饋方式的仿真結(jié)果圖如圖2，從上到下分別為Vout和Vs。

2 ? ?原邊反饋反激變換器在MATLAB/Simulink

的仿真與分析

2.1 ? 原邊反饋結(jié)構(gòu)

圖2分別為輸出電壓波形圖和輔助采樣電壓波形圖?？梢钥闯?，輔助采樣電壓在變化趨勢(shì)上基本和輸出電壓一致，這力證了此方法的可行性。但是放大結(jié)果圖可以看出此方法也存在著一定的問(wèn)題，具體結(jié)果見(jiàn)圖3。

如上波形圖依次為輸出電壓、MOS管控制信號(hào)、副邊線(xiàn)圈電壓、原邊輔助繞組采樣電壓?？梢钥吹礁边吘€(xiàn)圈電壓在MOS管剛關(guān)斷瞬間有著震蕩部分，這是因?yàn)樽儔浩鞔嬖谥└校└械哪芰渴遣粫?huì)通過(guò)變壓器磁芯耦合到其他部分。在MOS管關(guān)斷瞬間，因?yàn)殡姼须娏魇遣荒芡蛔兊?，這部分電流產(chǎn)生的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)無(wú)法被耦合而箝位，所以可以看見(jiàn)電壓會(huì)沖的很高。因?yàn)檫@部分漏感和元件的寄生電容的存在，從而引起了這部分的震蕩波形。顯然的，我們不能在這個(gè)階段進(jìn)行電壓采樣，為了避免這部分對(duì)采樣的影響，我們需要采取延遲采樣的方法。原邊輔助繞組采樣電壓震蕩結(jié)束之后的波形是穩(wěn)定的，通過(guò)一定的比例處理可以準(zhǔn)確的反映出輸出電壓。即：

其中，Vs表示副邊線(xiàn)圈電壓，Ns表示副邊線(xiàn)圈匝數(shù)，NA表示輔助繞組線(xiàn)圈匝數(shù)，Vsample表示輔助繞組線(xiàn)圈電壓。

反激變換器一般的工作模式分為三種：連續(xù)工作模式（CCM）、斷續(xù)工作模式（DCM）和臨界工作模式（CRM），其中斷續(xù)工作模式因?yàn)檩敵鲭娏鲾嗬m(xù)，因此受輸出影響不像CCM那樣因?yàn)殡妷鹤兓休^大變化，有較好的電壓調(diào)整率，因此本文設(shè)計(jì)的原邊反饋反激變換器工作在斷續(xù)模式（DCM）。

2.2 ? 變換器基本結(jié)構(gòu)

2.2.1 ? 控制器電路

本設(shè)計(jì)的控制主要利用RS觸發(fā)器實(shí)現(xiàn)功能。為了方便闡述，我們作出如下副邊電流反饋的仿真原理圖。

可以看到，整個(gè)控制器由誤差放大器、三角波信號(hào)源和RS觸發(fā)器組成。三角波信號(hào)源是由開(kāi)關(guān)管、電流源和電容組成。當(dāng)開(kāi)關(guān)管關(guān)斷時(shí)，電容以穩(wěn)定電流充電;當(dāng)開(kāi)關(guān)管開(kāi)通時(shí)，Vramp為0，從而通過(guò)控制開(kāi)關(guān)管實(shí)現(xiàn)三角波信號(hào)的產(chǎn)生。

RS觸發(fā)器的S端接入一個(gè)給定頻率的方波電壓信號(hào)源，這個(gè)給定頻率也決定了反激變換器的開(kāi)關(guān)頻率。初始狀態(tài)S、R、Q均為0，MOS管關(guān)斷，Q = 1，Vramp為0;當(dāng)信號(hào)源開(kāi)始以一定頻率開(kāi)始工作時(shí)，S = 1，R = 0，Q = 1，此時(shí)MOS管開(kāi)通，Q = 0，Vramp以一穩(wěn)定斜率開(kāi)始上升到給定電壓，生成三角波信號(hào)。

誤差放大器這部分工作原理為：采樣副邊電流信號(hào)，通過(guò)電阻轉(zhuǎn)換為采樣電壓信號(hào)Vb，通過(guò)補(bǔ)償器，送到誤差放大器的反相輸入端，再與加在誤差放大器同向輸入端的參考電壓進(jìn)行比較，輸出電壓Vea，再送入下一個(gè)運(yùn)放的反向輸入端，與同向輸入端的三角波信號(hào)比較，生成一個(gè)矩形脈沖輸出，再連到RS觸發(fā)器的R端，該部分信號(hào)決定了反激變換器的占空比大小。

電壓波形圖如圖6所示，從上到下分別為S端、R端和Vctrl信號(hào)。

2.2.2 ? 延遲采樣電路

由于原邊反饋方式采樣電壓是采樣輔助繞組線(xiàn)圈電壓，不能直接拿來(lái)使用，具體電壓波形如圖7所示?？梢钥吹?，在MOS管關(guān)斷瞬間，副邊繞組線(xiàn)圈電壓因?yàn)樽儔浩髀└泻烷_(kāi)關(guān)管寄生電容的原因，電壓有著不規(guī)律的震蕩，呈現(xiàn)出不規(guī)則的電壓尖峰。震蕩完畢之后，輔助繞組線(xiàn)圈電壓VA與輸出電壓VO有著較為明確的比例關(guān)系，即：

其中，Ns表示副邊繞組匝數(shù)，NA表示輔助繞組匝數(shù)，VF表示副邊二極管的壓降。已知二極管壓降與其留過(guò)電流大小有關(guān)，流過(guò)電流越小，VF越小，當(dāng)副邊電感電流為0時(shí)，VF為0，此時(shí)輔助繞組電壓為：

由此可知，在此時(shí)采樣輔助繞組線(xiàn)圈電壓最為理想，此處又稱(chēng)為膝點(diǎn)，此時(shí)的電壓為膝電壓。如圖8所示。

一般的，我們通過(guò)一個(gè)延時(shí)采樣電路來(lái)完成此功能，具體電路如圖9所示，闡述工作原理如下：輔助線(xiàn)圈電壓通過(guò)電阻分壓之后，有一個(gè)小電容濾波，再送到延時(shí)電路中。圖10為輸出電壓及采樣電壓結(jié)果圖，從結(jié)果看基本可以實(shí)現(xiàn)電壓的延時(shí)采樣功能。

2.2.3 ? 頻率調(diào)整電路

由于電路的工作頻率會(huì)因?yàn)樨?fù)載的變化而變化，為了保證電路不會(huì)因?yàn)樨?fù)載的變化而改變工作模式，我們需要根據(jù)電路的輸出電壓來(lái)調(diào)整工作頻率。原邊反饋的頻率調(diào)整電路是采樣原邊電壓，再由三角波生成器和比較器共同組成的。電路的工作頻率和工作電壓關(guān)系如圖11所示。

從圖中可以看到，工作電壓和工作頻率是成正比的。但是在電路剛剛啟動(dòng)的瞬間，因?yàn)檩敵鲭妷河?開(kāi)始上升，此時(shí)的工作頻率不可為零，否則無(wú)法控制反激開(kāi)關(guān)MOS管開(kāi)啟，因此我們需要設(shè)定一個(gè)最小頻率，才能保證電路的正常工作。根據(jù)公式（4）也能得出輸出電壓是正比于工作頻率的。

圖12為頻率調(diào)整電路原理圖。很明顯的，若采樣電壓不同，三角波波形不同，比較器輸出的方波頻率也不同，實(shí)現(xiàn)了電壓控制的頻率調(diào)整電路。結(jié)果對(duì)比圖如圖13和14所示。

我們?cè)O(shè)計(jì)頻率調(diào)整電路時(shí)，需要設(shè)定一個(gè)最小頻率，也就是說(shuō)，即使輸出電壓為0的時(shí)候，輸出的方波頻率不能為零，已知頻率與電壓成正比是電路穩(wěn)定工作的前提，所以需要滿(mǎn)足公式（5）。

Vout = KVo + Va ?（5）

這里的Va是個(gè)常數(shù)，也就是它決定了我們?cè)O(shè)置的最小頻率。而這個(gè)Va可以由電流源與一個(gè)電阻共同提供。轉(zhuǎn)化為頻率，可以得到公式（6），也就是說(shuō)即使輸出電壓為零時(shí)，比較器依然會(huì)輸出一個(gè)最低頻率fa，保證電路的正常工作。

fout = Kf vout + fa ?（6）

2.2.4 ? 震蕩濾除電路

本仿真是恒流控制電路，采樣原邊電流，通過(guò)計(jì)算得出輸出電流，再送到誤差放大器中實(shí)現(xiàn)反饋控制。計(jì)算公式如下。

其中tdis是副邊電感的放電時(shí)間，ts是一個(gè)工作周期，NP和NS分別是原邊繞組匝數(shù)和輔助繞組匝數(shù)，Vcs是開(kāi)關(guān)管的源極電壓，Rsense是開(kāi)關(guān)管的采樣電阻。其中NP、NS和Rsense都是電路的固有參數(shù)，只需要得到其余三個(gè)參數(shù)值即可。下面闡述震蕩濾除電路的工作原理。

由圖7可知，副邊電感放電之后因?yàn)槁└屑凹纳娙莸拇嬖?，波形?huì)發(fā)生震蕩，這些震蕩雜亂不堪，對(duì)測(cè)量造成很大的困擾，先用比較器簡(jiǎn)單處理該波形，得到圖15。

簡(jiǎn)單處理之后的波形圖可以看到，除了在放電開(kāi)始階段有上升信號(hào)，之后的震蕩部分也會(huì)有上升信號(hào)，會(huì)對(duì)測(cè)量形成較大干擾，因此需要在采樣之前進(jìn)行濾除震蕩的處理，再對(duì)電感的放電時(shí)間進(jìn)行采樣。本文的震蕩濾除電路結(jié)構(gòu)如圖16。

簡(jiǎn)單的敘述下工作原理：輸出波形取決于RS觸發(fā)器的輸出值，當(dāng)變換器開(kāi)關(guān)管控制信號(hào)處于非上升沿，則RS觸發(fā)器輸出高電平，這個(gè)非上升沿即開(kāi)關(guān)管導(dǎo)通一瞬間，RS觸發(fā)器開(kāi)始輸出高電平，直到檢測(cè)到Vtdis第一個(gè)下降沿時(shí)，RS觸發(fā)器開(kāi)始輸出低電平，而這個(gè)Vtdis第一個(gè)下降沿正是所需要檢測(cè)到的電感放電結(jié)束的時(shí)刻。震蕩濾除電路工作結(jié)果如下圖17所示。

可以從結(jié)果圖17看出，該部分電路基本能夠?qū)崿F(xiàn)該功能。下面需要檢測(cè)電感放電的具體時(shí)間長(zhǎng)度，這部分電路比較簡(jiǎn)單，用一個(gè)經(jīng)典的RC電路即可，電容的電壓反映的就是電感放電的時(shí)間長(zhǎng)度，即tdis。具體電路圖即仿真結(jié)果圖如下。

3.2.5 ? 開(kāi)關(guān)管源極電壓采樣電路

從公式（7）可以看出，我們還需要采樣開(kāi)關(guān)管源極峰值電壓VCS。由開(kāi)關(guān)管源極電壓波形圖和開(kāi)關(guān)管控制信號(hào)波形對(duì)比圖20，可以得出如下結(jié)論：開(kāi)關(guān)管源極電壓峰值可在開(kāi)關(guān)管控制信號(hào)從高電平變?yōu)榈碗娖降乃查g測(cè)得。由此結(jié)論可以設(shè)計(jì)出開(kāi)關(guān)管源極電壓的采樣電路，如圖21所示。

通過(guò)上述處理，已經(jīng)得到了 這三個(gè)參數(shù)的采樣，下面用乘法器將這三個(gè)參數(shù)值整合，并送到誤差放大器中。圖23是 乘法器輸出和輸出電流波形圖?？梢钥吹匠朔ㄆ鞯妮敵霾ㄐ位竞洼敵鲭娏鞑ㄐ挝呛希@也證明了上述采樣電路及處理方法的可行性。

2.2.6 ? 誤差放大控制電路

和常規(guī)誤差反饋控制電路一樣，將乘法器的輸出信號(hào)輸入誤差放大器的反向輸入端，與同相輸入端的參考電壓比較，再將誤差放大器的輸出結(jié)果與三角波進(jìn)行比較，實(shí)現(xiàn)最終控制。這部分較為簡(jiǎn)單，就不再詳細(xì)敘述，具體電路與輸出結(jié)果圖如圖24和圖25。

3 ? 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

為了檢驗(yàn)該模型是否輸出電流恒定，對(duì)負(fù)載電路作如下處理：負(fù)載電阻由兩個(gè)100 Ω的電阻串聯(lián)組成，用一個(gè)延遲0.1 s后輸出高電平的步長(zhǎng)信號(hào)發(fā)射器控制斷路器，斷路器并聯(lián)在一個(gè)負(fù)載電阻旁。電路開(kāi)始工作時(shí)，步長(zhǎng)信號(hào)發(fā)射器輸出低電平，此時(shí)斷路器打開(kāi)，兩個(gè)負(fù)載電阻串聯(lián)，相當(dāng)于接了200 Ω的電阻負(fù)載，0.1 s后步長(zhǎng)信號(hào)發(fā)射器輸出高電平，斷路器關(guān)閉，相當(dāng)于短路了與之并聯(lián)的電阻，此時(shí)負(fù)載電阻變?yōu)?00 Ω，電路結(jié)構(gòu)圖和仿真結(jié)果圖如圖27和圖28。

從結(jié)果圖可以看出，輸出電流自始至終沒(méi)有變化，輸出電壓在0.1 s處開(kāi)始變低，也證明了該電路基本符合設(shè)計(jì)要求。

4 ? 結(jié) ? 論

分析了原邊反饋反激變換器的工作原理，并在此基礎(chǔ)之上在MATLAB/Simulink下進(jìn)行了一種原邊恒流反饋拓?fù)涞慕Ｅc仿真。結(jié)果表明，通過(guò)延遲采樣，頻率調(diào)整和震蕩濾除等電路處理，原邊反饋反激變換器變換器可以較好的實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)要求，為日后在MATLAB/Simulink上深入研究原邊反饋反激變換器的建模與仿真打下了一定的基礎(chǔ)，也為以后實(shí)際電路的設(shè)計(jì)提供了借鑒。

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