現(xiàn)代電力電子技術(shù)在高頻二次開(kāi)關(guān)電源中的應(yīng)用

作者/陳松伯，張晉(湖南工業(yè)大學(xué)，湖南 株洲412000)

　　摘要：高頻開(kāi)關(guān)電源是一種能量轉(zhuǎn)換器，其功率器件主要工作在開(kāi)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(diǎn)。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(jiǎn)單的電路拓?fù)?。由于在?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(huì)發(fā)生振蕩現(xiàn)象;另外，系統(tǒng)的穿越頻率設(shè)計(jì)的過(guò)低，將會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)的響應(yīng)速度很慢，本文借助PID補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)對(duì)其進(jìn)行調(diào)節(jié)校正以減小系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)誤差，借助MATLAB進(jìn)行幅頻域分析，使新系統(tǒng)補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)能夠很好的實(shí)現(xiàn)靜態(tài)與動(dòng)態(tài)穩(wěn)定。并通過(guò)Saber仿真軟件進(jìn)行了總體閉環(huán)控制的仿真，實(shí)現(xiàn)對(duì)原系統(tǒng)的改進(jìn)工作，并將最終設(shè)計(jì)好的開(kāi)關(guān)電源實(shí)物平臺(tái)進(jìn)行驗(yàn)證達(dá)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(kāi)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(kāi)關(guān)電源技術(shù)在此更是處于核心地位 ^[1-6]。較線性電源相比，其工作在開(kāi)關(guān)狀態(tài)而非放大狀態(tài)，可以有效地降低開(kāi)關(guān)損耗問(wèn)題;較相控電源相比不受功率因數(shù)影響，利用PWM技術(shù)來(lái)控制IGBT的導(dǎo)通時(shí)間占空比來(lái)達(dá)到穩(wěn)壓作用^[7-8]。 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(duì)其功率密度要求甚高。為了解決傳統(tǒng)開(kāi)關(guān)電源的不穩(wěn)定性問(wèn)題，現(xiàn)以Buck電路為研究對(duì)象，將其設(shè)計(jì)方案、拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化，從而提高其穩(wěn)定性和抗干擾性能，進(jìn)而提高開(kāi)關(guān)電源的可靠性。Buck降壓變換器作為開(kāi)關(guān)電源基本拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)中最簡(jiǎn)單的一種，能對(duì)輸入電壓進(jìn)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(chǎng)合^[9]。本文將在已有的Buck電路進(jìn)行參數(shù)改進(jìn)，對(duì)濾波電感和濾波電容重新設(shè)計(jì)，并加入PID調(diào)節(jié)網(wǎng)絡(luò)，通過(guò)saber軟件對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行仿真驗(yàn)證，最終實(shí)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(jì)

　　1.1 濾波電感的設(shè)計(jì)

　　盡管Buck降壓拓?fù)潆娐方Y(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?fù)鋮s會(huì)在不連續(xù)的模式下出現(xiàn)故障^[10]，因此，對(duì)此類輸出濾波器的拓?fù)?，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(shí)，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(shí)對(duì)應(yīng)臨界連續(xù)，主電路拓?fù)淙鐖D1所示。

　　圖1中的電感可表示為

　　式中：V_dcn和I_on分別是額定輸入電壓和額定輸出電流;dI為斜坡幅值V_dcn=12 V; V_o=3 V; I_o=3 A;T=10-5 s。將其代入式(2)求得L=40 mH。

　　1.2 濾波電容的設(shè)計(jì)

　　濾波電容的選擇必須滿足輸出紋波的技術(shù)要求，實(shí)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300 kHz~500 kHz范圍以下時(shí)電感L值可以忽略(當(dāng)前設(shè)計(jì)為100 kHz)不計(jì)，這時(shí)輸出紋波僅由電阻R和電容C的值決定：

　　2 Buck電路器件的選型和設(shè)計(jì)

　　2.1 原始系統(tǒng)的頻率特性

　　(1)設(shè)計(jì)電壓采樣網(wǎng)絡(luò)。在設(shè)計(jì)IGBT開(kāi)關(guān)調(diào)節(jié)系統(tǒng)時(shí)，為了更好的消除穩(wěn)態(tài)誤差es，需在系統(tǒng)的低頻段(尤其在直流頻率點(diǎn)處)，確保開(kāi)環(huán)傳遞函數(shù)的幅值遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于1，即此時(shí)的直流頻率點(diǎn)系統(tǒng)為深度負(fù)反饋系統(tǒng)。對(duì)于深度負(fù)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

　　(2)繪制原始系統(tǒng)的Bode圖。此時(shí)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(duì)小信號(hào)模型進(jìn)行分析，可得到Buck斬波電路變換器的傳遞函數(shù)為：

　　其中，交流小信號(hào)的電路模型參數(shù)計(jì)算如下：

　　其中，，交流小信號(hào)模型下的 Buck變換器傳遞函數(shù)為：

　　3)繪制系統(tǒng)開(kāi)環(huán)傳遞函數(shù)的波特圖。由系統(tǒng)的開(kāi)環(huán)特性可得開(kāi)環(huán)傳遞函數(shù)：

　　反向放大器引起了一個(gè)-180°固定的相移，這樣就構(gòu)成了一個(gè)原始系統(tǒng)，其開(kāi)環(huán)傳遞函數(shù)：

　　根據(jù)式(12)、(13)可以繪制開(kāi)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=1.99 kHz時(shí)，相位裕度為jM=6°。可以判斷此時(shí)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(shí)系統(tǒng)可能會(huì)波動(dòng)而變得不穩(wěn)定，另外，穿越頻率(為1.99 kHz)太低時(shí)，系統(tǒng)的響應(yīng)速度會(huì)變得很慢。總之，只使用一個(gè)高增益的反向放大器作為控制器，不能使對(duì)象的控制達(dá)到穩(wěn)、準(zhǔn)、快的要求。因此，該經(jīng)典電路需進(jìn)一步改進(jìn)。

　　2.2 補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計(jì)

　　將圖2中的穿越頻率fc=1.99 kHz，相角裕度6°進(jìn)行改進(jìn)，在遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于穿越頻率fc處，給予PD補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)加入零點(diǎn)fz，此時(shí)的開(kāi)環(huán)傳函超前位移就會(huì)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(diǎn)fz又帶來(lái)了新的問(wèn)題：例如，如果高頻段增益降低，會(huì)使系統(tǒng)的原有斜率從-40 dB/dec上升到-20 dB/dec;可能使相位裕度達(dá)到90°,過(guò)大的相位裕度會(huì)對(duì)其他動(dòng)態(tài)性能不利。此時(shí)可在系統(tǒng)大于零點(diǎn)頻率附近再引入一個(gè)極點(diǎn)，即使用PD補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)來(lái)解決以上產(chǎn)生的相角裕度問(wèn)題。

　　PD補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)的電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖3所示。

　　PD補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)的傳遞函數(shù)為：

　　為了提高系統(tǒng)的穿越頻率f_c，需要將加入補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)后的開(kāi)環(huán)傳遞函數(shù)穿越頻率f_c變成原開(kāi)關(guān)頻率f_s的1/20，即：。

　　在原系統(tǒng)5 kHz處，幅頻特性的幅值為：

　　經(jīng)過(guò)以上調(diào)節(jié)使系統(tǒng)在fc=5 kHz穿越頻率處，。設(shè)此時(shí)的相位裕量，則PD補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)的零、極點(diǎn)頻率計(jì)算公式為：

　　根據(jù)式(19)中的傳遞函數(shù)，利用MATLAB繪出系統(tǒng)的超前補(bǔ)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=5.1 kHz，相角裕度為時(shí)，穿越頻率符合約定的頻率范圍內(nèi)(2.2 kHz~8.3 kHz)，此時(shí)開(kāi)環(huán)傳遞函數(shù)的相位裕度。此時(shí)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(huì)稍稍偏離5.1 kHz，這時(shí)對(duì)相位裕度影響較小。由于在0 kHz~1 kHz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(guò)在PID補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)的加入倒置零點(diǎn)解決以上問(wèn)題。

　　2.3 PID補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計(jì)

　　改進(jìn)的PID補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)的電路模型如圖5所示，根據(jù)其拓?fù)潆娐房赏瞥鰝鬟f函數(shù)為：

　　在這里，引入倒置零點(diǎn)的目的是改善開(kāi)環(huán)傳遞函數(shù)的低頻特性，但是并不希望因此改變開(kāi)環(huán)傳遞函數(shù)的中高頻段特性。假設(shè)選擇倒置零點(diǎn)的頻率fl為穿越頻率fc的1/10，則有

　　則。

　　改進(jìn)后的PID補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)的傳遞函數(shù)為：

　　根據(jù)PID 補(bǔ)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R_f=10 kW，計(jì)算得C_f=3.2nF，R_ip=434 W，R_iz=3.2kW，C_i=28.6nF。

　　由圖6中可知，當(dāng)fc=5.16 kHz時(shí),相位裕度為，在高頻段時(shí)，曲線在-40 dB/dec時(shí)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(shí)驗(yàn)

　　Buck電路的開(kāi)關(guān)管選用P溝道MOSFET，開(kāi)關(guān)管的驅(qū)動(dòng)采用SG3525芯片，SG3525 是一種性能優(yōu)良、功能齊全和通用性強(qiáng)的單片集成PWM控制芯片，它簡(jiǎn)單可靠及使用方便靈活，輸出驅(qū)動(dòng)為推拉輸出形式，驅(qū)動(dòng)能力強(qiáng);其內(nèi)部含有的欠壓鎖定電路、軟啟動(dòng)控制電路等，具有過(guò)流保護(hù)、頻率可調(diào)功能，同時(shí)能限制最大占空比，防止溢出。

　　利用Saber仿真軟件，對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行仿真，能夠得到系統(tǒng)的輸出響應(yīng)曲線，通過(guò)仿真曲線可以得出，輸出的電壓平均值為3.34 V，紋波峰峰值為0.108 V，滿足設(shè)計(jì)要求。仿真波形如圖7所示。

　　由圖7可以看出，實(shí)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(shí)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(lái)一定的安全隱患。為此，需要對(duì)以上系統(tǒng)參數(shù)進(jìn)行重新設(shè)置，以確保穩(wěn)態(tài)誤差盡可能降為零。

　　對(duì)PID補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)的參數(shù)進(jìn)行整定后，使得R_f=10 kW，C_f=1 nF，R_ip=510 W，C_i=100 nF。以此參數(shù)進(jìn)行仿真并與原仿真結(jié)果進(jìn)行比較，此時(shí)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(guò)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(shí)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(kāi)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(fù)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(duì)開(kāi)關(guān)電源趨于高頻化發(fā)展后造成的開(kāi)關(guān)器件損耗大增的問(wèn)題，將軟開(kāi)關(guān)技術(shù)應(yīng)用到了DC/DC變換器中，以達(dá)到減少開(kāi)關(guān)損耗、提高效率的功能。

　　隨著新型電子器件和拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的出現(xiàn)，開(kāi)關(guān)電源將實(shí)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(kāi)關(guān)電源模塊趨于小型化，在其設(shè)計(jì)過(guò)程中需不斷提高開(kāi)關(guān)頻率，開(kāi)發(fā)和設(shè)計(jì)新型的電路拓?fù)浣Y(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(shí)現(xiàn)調(diào)壓和節(jié)能的功效。開(kāi)關(guān)電源的輸出電壓如果超出正常范圍，會(huì)對(duì)通信設(shè)備造成損壞，所以在其輸出端設(shè)計(jì)輸出電壓保護(hù)，一旦輸出電壓超過(guò)給定值，開(kāi)關(guān)電源會(huì)將輸出閉鎖，達(dá)到過(guò)壓保護(hù)作用。在電力電子技術(shù)的應(yīng)用及各種電源系統(tǒng)中，開(kāi)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(kāi)關(guān)電源技術(shù)會(huì)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(lái)看，開(kāi)關(guān)電源必將在未來(lái)的電力電子技術(shù)應(yīng)用中起到關(guān)鍵的作用。

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本文來(lái)源于科技期刊《電子產(chǎn)品世界》2019年第3期第69頁(yè)，歡迎您寫(xiě)論文時(shí)引用，并注明出處