數(shù)字控制全橋軟開關(guān)電源的Saber仿真分析

數(shù)字化是開關(guān)電源的發(fā)展趨勢(shì)，它可以實(shí)現(xiàn)快速、靈活的控制設(shè)計(jì)，改善電路的瞬態(tài)響應(yīng)性能，使之速度更快、精度更高，可靠性更強(qiáng)。因此，本文基于Saber仿真軟件對(duì)采用數(shù)字控制的大功率移相控制全橋ZVS電源系統(tǒng)( 12 V /5 000 A)進(jìn)行了建模、仿真，并對(duì)仿真結(jié)果進(jìn)行了分析。

1 主電路的建模

移相控制全橋ZVS2PWM變換器電路實(shí)現(xiàn)簡單、工作可靠，而且充分利用了器件的寄生參數(shù)，不需要加入輔助電路，比較適合大功率低壓大電流的應(yīng)用場合，其主電路結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 移相控制全橋ZVS2PWM電源系統(tǒng)主電路

Saber軟件提供了功率器件建模工具M(jìn)odel Ar2chitect,如圖2所示為該工具提供的IGBT等效電路模型，根據(jù)實(shí)際器件的參數(shù)調(diào)整圖2中的各個(gè)參數(shù)值即可完成建模。本系統(tǒng)采用IGBT 的型號(hào)為CM400HA-24E,其額定參數(shù)為1 200 V /400 A.電容c1~c4為外接諧振電容，其中c1 = c3, c2 = c4。

高頻變壓器采用兩個(gè)單元變壓器串并聯(lián)的組合方式，它可以使并聯(lián)的輸出整流二極管之間實(shí)現(xiàn)自動(dòng)均流，并且使得變壓器的設(shè)計(jì)模塊化，簡化變壓器的制作工藝，降低損耗。原邊用串聯(lián)電感l(wèi)r作為變壓器的等效漏感， 用電流控制電壓源(CCVS)模塊來代替具有電流采樣作用的霍爾電流傳感器。

圖2 IGBT等效結(jié)構(gòu)圖

次級(jí)輸出采用倍流整流電路結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)中電感電流和變壓器次級(jí)電流小，整流管導(dǎo)通損耗及變壓器銅損較小;該結(jié)構(gòu)具有雙電感交錯(cuò)濾波，可在電感值較小的前提下，減小電流紋波，提高動(dòng)態(tài)響應(yīng)性能。

2 數(shù)字控制器的建模

2.1 峰值電流型控制方式

開關(guān)電源功率開關(guān)器件導(dǎo)通電流等內(nèi)部變量的瞬態(tài)值具有相對(duì)獨(dú)立性，只有直接控制電流瞬態(tài)峰值，才能有效快速地保護(hù)功率開關(guān)器件，同時(shí)克服全橋變換器的偏磁問題，提高其動(dòng)態(tài)反應(yīng)速度和可靠性，因此，本系統(tǒng)采用峰值電流控制模式。峰值電流型控制模式開關(guān)電源的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖見圖3所示，系統(tǒng)控制數(shù)學(xué)模型見圖4所示。

圖3 開關(guān)電源系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

圖4 系統(tǒng)控制數(shù)學(xué)模型

2.2 P I調(diào)節(jié)器建模

P I調(diào)節(jié)是控制系統(tǒng)中最成熟，應(yīng)用范圍最廣的一種調(diào)節(jié)方式，離散型P I控制器表達(dá)式為：

采用峰值電流模式控制的系統(tǒng)，當(dāng)占空比大于0. 5時(shí)，會(huì)產(chǎn)生不穩(wěn)定現(xiàn)象，采用斜坡補(bǔ)償可以改善系統(tǒng)性能，增加系統(tǒng)穩(wěn)定性。依據(jù)其他資料，在控制工程實(shí)踐中，斜坡補(bǔ)償電壓的上升率一般設(shè)計(jì)為輸出電感電流檢測信號(hào)下降率折算值的70%~80%.

式(1)中： k為采樣序號(hào); U ( k)為第K次采樣時(shí)P I調(diào)節(jié)器輸出的偏移量; Kp 為P I調(diào)節(jié)器的比例系數(shù);T為采樣周期; Ti 為PI調(diào)節(jié)器積分時(shí)間; E ( k)為第k次采樣的偏差值。由式(1)可推出其離散P I增量式為：

式(2)中：U ( k - 1)為第k - 1次采樣時(shí)PI調(diào)節(jié)器輸出的偏移量; E ( k - 1)為第k - 1次采樣的偏差值;Ki 為P I調(diào)節(jié)器的積分參數(shù)。

P I調(diào)節(jié)器模型見圖5所示，其實(shí)現(xiàn)過程為：

AD電壓采樣環(huán)節(jié)由一個(gè)模數(shù)轉(zhuǎn)換接口a2z實(shí)現(xiàn)，采樣值為Z0 ( k ) , 電壓基準(zhǔn)Zref由給定信號(hào)模塊zdata提供，兩者的差值為誤差項(xiàng)E ( k) ;利用放大模塊zamp將偏差值E ( k)放大積分系數(shù)Ki 倍，可得積分修正量ΔI ( k) ;將偏差值E ( k)通過減法模塊zsub減去由延遲模塊zdelay所保持的第k - 1次的偏差值E ( k - 1) ,再用放大模塊將上述差值放大比例參數(shù)Kp 倍，可得比例矯正值為ΔP ( k) ;最后由加法模塊zadd將積分修正量ΔI ( k) ,比例修正量ΔP ( k) ,以及由延遲模塊所保持的第k - 1 次結(jié)果U ( k - 1)相加可得第K次采樣結(jié)果U ( k)。

圖5峰值電流型控制原理圖

電流環(huán)控制采用P調(diào)節(jié)，其實(shí)現(xiàn)過程為：霍爾電流傳感器采樣之后，由模數(shù)轉(zhuǎn)換接口將采樣值轉(zhuǎn)換為離散信號(hào)，經(jīng)過一定倍數(shù)的放大之后，進(jìn)行斜坡補(bǔ)償。斜坡補(bǔ)償環(huán)節(jié)由z_pulse模塊依據(jù)前述補(bǔ)償法則產(chǎn)生一定頻率一定斜率的三角波實(shí)現(xiàn)。

經(jīng)過斜坡補(bǔ)償?shù)碾娏餍盘?hào)與電壓P I調(diào)節(jié)產(chǎn)生的結(jié)果相比較得到最終的誤差調(diào)整值，最后由比較模塊zcmp構(gòu)成飽和環(huán)節(jié)，用于防止輸出的移相值超出所能達(dá)到的移相范圍。

2.3 移相全橋PWM 波形調(diào)制

Saber和Simulink之間可以實(shí)現(xiàn)協(xié)同仿真，這樣可以發(fā)揮Simulink在軟件算法方面的優(yōu)勢(shì)，通過自定義S函數(shù)產(chǎn)生移相PWM信號(hào)。以Saber為主機(jī)，調(diào)用Simulink,兩者以固定時(shí)間步長交換數(shù)據(jù)。

圖6所示為移相PWM脈沖實(shí)現(xiàn)原理圖。其主要原理為：當(dāng)所對(duì)應(yīng)的前驅(qū)動(dòng)波形跳變?yōu)楦邥r(shí)，由數(shù)字P I控制器得出的移相值U ( k)在遠(yuǎn)小于周期的定時(shí)間減去一定常數(shù)k,當(dāng)差值為零時(shí)產(chǎn)生一對(duì)與所對(duì)應(yīng)前橋臂驅(qū)動(dòng)等寬的脈沖波，圖中所示t即為移相時(shí)間。