基于三?？刂频乃拈_關變換器設計

曹以龍，朱冬冬，吳 丹

(上海電力大學電子與信息工程學院，上海 200090)

如今各行各業(yè)均與各式各樣的電源有著密不可分的關系，不管從事什么行業(yè)，如醫(yī)學、軍事、汽車等，均有著電源技術的加入[1]，電源技術的成長與國民經(jīng)濟日益密切，傳統(tǒng)的電源主要有模擬電源和數(shù)字電源，隨著數(shù)字芯片的發(fā)展，近年來，數(shù)字電源越加熱門[2]。

目前，常用的電源拓撲主要有升壓Boost 電路、降壓Buck電路和一些非隔離式降壓-升壓轉換器電路。轉換器主要分Buck-Boost 轉換器、Cuk 轉換器、Zeta 轉換器 和SEPIC 轉換器[3-4]。但是Buck-Boost 轉換器和Cuk 轉換器的輸入和輸出電壓極性相反，因此難以實現(xiàn)輔助電源和驅(qū)動，并且開關管的電壓應力為輸入和輸出電壓之和[5-6]。Zeta 轉換器和SEPIC轉換器的輸入和輸出極性相同。但是，有許多無源元件不利于功率密度的提高[7]。它們還具有開關晶體管的高電壓應力問題。與上述常規(guī)降壓-升壓轉換器相比，四開關降壓-升壓轉換器(FSBB)具有功率器件的電壓應力低、無源元件更少以及輸入和輸出電壓的極性相同的優(yōu)點[8]。

1 FSBB 控制原理

1.1 FSBB 電路拓撲

FSBB 變換器的基本結構如圖1 所示。

圖1 FSBB的基本結構

整個系統(tǒng)基本結構是由續(xù)流電感L，開關管S1、S2、S3、S4以及輸出電容C 組成，Vin為輸入電壓，Vout為輸出電壓。為了方便分析計算，假設所有器件均可以工作在理論狀態(tài)，輸出電容C能夠穩(wěn)定輸出電壓Vout的值，開關器件均處于理想狀態(tài)。

V1是電感L 的輸入電壓，與開關管S1 的關系如式(1):

式中：DS1為開關管S1 的占空比。L 的輸出電壓V2與輸出電壓關系為[9]:

式中：DS4為開關管S4 的占空比。根據(jù)電路穩(wěn)態(tài)工作時，一個開關周期內(nèi)FSBB 電路的L 電壓的平均值為零，則：V1=V2;聯(lián)立式(1)～(2)，得到在Matlab中繪制出M與DS1、DS4的關系，見圖2?？梢钥闯鲈撾娐反嬖趦蓚€自由度DS1、DS4，通過控制DS1、DS4拓寬變換器的輸出范圍，具有靈活的調(diào)節(jié)性能[11]。

圖2 M與占空比的關系

1.2 FSBB 控制方案

FSBB 電路常見的控制方案一般有單?？刂?、雙?？刂埔约叭？刂频萚12]。本文采用常見三?？刂疲⑶以谥虚g升降壓區(qū)間加以改進，在該區(qū)間雙管驅(qū)動，控制原理如圖3所示。

圖3 FSBB控制原理

在圖3 中，DS1和DS4作為四開關電路的占空比，采用脈沖寬度調(diào)制方式，h是兩個占空比DS1、DS4之間的差值，鋸齒載波的高信號為VH，低信號為VL,VH-VL=1。其中DS1=DS4+h,h<1。

采用三?？刂瓶梢越鉀Q四開關普遍存在的由于占空比的死區(qū)限制導致的輸出電壓不連續(xù)的問題，如圖3 所示，當VL

當系統(tǒng)閉環(huán)控制只有PI 控制器時，輸出電壓中摻雜了一定含量二倍工頻紋波，降低輸出電壓Vout的二倍工頻紋波分量可以減少輸入電流的畸變率。同時二倍工頻紋波分量的存在也會降低系統(tǒng)的響應速度[13]。本文在電壓環(huán)加入功率前饋，加快系統(tǒng)響應。系統(tǒng)程序框圖如圖4 所示。

圖4 程序結構圖

圖4 中LPF 為數(shù)字慣性濾波器，用以將輸入輸出電壓與噪聲分離，提高輸入輸出電壓的抗干擾性及信噪比，同時濾除一些諧波，提高分析精度。KP、Ki分別是PI 控制器的比例積分系數(shù)，R 作為一個模式選擇器，選擇相對應系統(tǒng)的模態(tài)。λ為參考功率反饋系數(shù)，加入功率前饋控制，有效地消除輸入到輸出的擾動。

2 模塊化半橋整流電路設計

采用該方案設計的數(shù)字電源具有靈活的動態(tài)輸出性能，由于兩個自由度互不干擾，核心部分是兩個半橋整流電路元件選型。本文采用模塊化設計的半橋整流電路結構與主電路通過插排連接。半橋整流電路結構如圖5 所示。

圖5 模塊化半橋結構圖

圖5 為一個半橋結構的原理圖和硬件實物圖，為了節(jié)約設計成本，方便后期維護，采用模塊化插排式設計，電源的預設計輸入電壓為5～15 V，輸出電壓為0～35 V,所以采用的PWM 驅(qū)動芯片為TLP-152 驅(qū)動芯片，兩個黃色繞組線圈原件是自制雙繞組變壓器，通過電源芯片SN6501 輸出±15 V 的電壓給PWM 驅(qū)動芯片TLP-152 供電，所選用的元器件成本低、通用和易獲得。開關管選型為STB30NF20，其擊穿電壓為200 V，額定電流30 A，具有充足設計裕度。

3 實驗分析

根據(jù)理論分析，在實驗室有限的條件下搭建了一個30 W的基于FSBB 數(shù)字電源樣機，樣機桌面實驗見圖6。

圖6 數(shù)字電源實驗圖

實驗電路控制芯片采用TMS28069 型DSP，續(xù)流電感感值為20 μH，輸出電容采用2 個串聯(lián)的330 μF 的電容再并聯(lián)，輸入電壓5～15 V，輸出電壓0～30 V，開關頻率為20 kHz。圖7為半橋模塊驅(qū)動信號測試截圖。

圖7 半橋模塊驅(qū)動信號測試

圖7(a)為開關頻率20 kHz 下兩個半橋模塊中開關管S1和S4 的占空比為0.3 和0.7 的驅(qū)動電壓截圖，可以看出驅(qū)動芯片能夠穩(wěn)定輸出驅(qū)動電壓，圖7(b)為實驗中間模態(tài)向升壓模態(tài)過渡階段占空比截圖，可以看出驅(qū)動信號的占空比能夠平穩(wěn)過渡，死區(qū)空間消失。圖8(a)為輸入12 V 時，輸出電壓從10 V 階躍到15 V 時輸入電壓和輸出電壓波形圖，可以看出該數(shù)字電源階躍響應大概為20 ms 左右，動態(tài)響應好；圖8(b)為輸入電壓12 V 不變時，調(diào)節(jié)輸出電壓從15 V 變?yōu)?0 V，可以看出穩(wěn)定輸出電壓能快速跟隨給定電壓，輸出電壓沒有較大的波動，紋波小。通過多次實驗，發(fā)現(xiàn)負載值越大，系統(tǒng)效率越高，穩(wěn)定性越好。

圖8 輸出階躍實驗截圖

圖9 為FSBB 電源的效率?？梢钥闯鯢SBB 電源的效率都在95.5%以上，具有較高的效率。在升降壓區(qū)間通過調(diào)節(jié)兩個占空比，可以改進三?？刂?，降低傳統(tǒng)三?？刂茣r開關應力，減少了開關的損耗。其在中間模態(tài)效率比傳統(tǒng)三?？刂铺岣吡?.15%左右。

圖9 FSBB電源效率

4 結論

設計的基于四開關電路拓撲的數(shù)字電源的關鍵部分為兩個采用模塊化設計的半橋電路。半橋電路用開關管驅(qū)動，電路設計簡單，成本低，輸出輸入電壓范圍都很寬，加入前饋控制，輸出電壓紋波小，抗擾動能力好，動態(tài)響應快。最終實驗結果發(fā)現(xiàn)該方案解決了雙?？刂茣r的輸出電壓不連續(xù)，存在電壓死區(qū)的問題。與其他升降壓變換器相比，本設計具有較寬范圍的輸出，系統(tǒng)輸出效率高（達到95.5%以上），動態(tài)性能好，多次實驗發(fā)現(xiàn)能夠在50 ms 內(nèi)穩(wěn)定追蹤給定電壓。改進三?？刂婆c傳統(tǒng)三?？刂葡啾容^在中間模態(tài)效率提高了0.15%左右，本文設計的數(shù)字電源具有較好的應用前景。