本文摘要：開(kāi)關(guān)電源廣泛應(yīng)用于工業(yè)自動(dòng)化控制、電力電子設(shè)備及其它多個(gè)領(lǐng)域。隨著電力電子技術(shù)的高速發(fā)展，其發(fā)展也將趨向于高頻、高可靠、低功耗、抗干擾和模塊化。本文淺談了穩(wěn)流型開(kāi)關(guān)電源的控制系統(tǒng)，對(duì)其電路組成以及數(shù)學(xué)模型進(jìn)行了分析和研究，雖然穩(wěn)流型開(kāi)關(guān)電
開(kāi)關(guān)電源廣泛應(yīng)用于工業(yè)自動(dòng)化控制、電力電子設(shè)備及其它多個(gè)領(lǐng)域。隨著電力電子技術(shù)的高速發(fā)展，其發(fā)展也將趨向于高頻、高可靠、低功耗、抗干擾和模塊化。本文淺談了穩(wěn)流型開(kāi)關(guān)電源的控制系統(tǒng)，對(duì)其電路組成以及數(shù)學(xué)模型進(jìn)行了分析和研究，雖然穩(wěn)流型開(kāi)關(guān)電源應(yīng)用相對(duì)沒(méi)有穩(wěn)壓型開(kāi)關(guān)電源廣泛，但伴隨著更多領(lǐng)域中的需求，其作用也是不容忽視的，其優(yōu)點(diǎn)也將更廣泛地得到認(rèn)識(shí)與應(yīng)用。
《通信電源技術(shù)》(TelecomPowerTechnologies)創(chuàng)辦于1984年，由信息產(chǎn)業(yè)部科技司主管，中國(guó)普天集團(tuán)公司責(zé)辦，武漢普天通信設(shè)備有限公司主辦。是國(guó)家新聞出版署核準(zhǔn)出版的全國(guó)通信電源專業(yè)領(lǐng)域里的唯一正式期刊，并榮獲信息產(chǎn)業(yè)部?jī)?yōu)秀科技期刊稱號(hào)。逢單月25日出版，國(guó)內(nèi)統(tǒng)一刊號(hào)：CN42-1380/TN，國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)刊號(hào)：ISSN1009-3664，郵發(fā)代號(hào)：38-371，國(guó)內(nèi)外公開(kāi)發(fā)行，影響因子：0.226，被引次數(shù)：3292。
摘 要：在對(duì)穩(wěn)流型開(kāi)關(guān)電源的基本原理進(jìn)行論述的基礎(chǔ)上，通過(guò)建立起全橋移項(xiàng)PWM DC/DC 變換器小信號(hào)模型，對(duì)穩(wěn)流型開(kāi)關(guān)電源的控制系統(tǒng)進(jìn)行研究，對(duì)穩(wěn)流型開(kāi)關(guān)電源閉環(huán)控制系統(tǒng)的電路組成以及數(shù)學(xué)模型進(jìn)行分析和研究。并利用電子仿真軟件對(duì)該系統(tǒng)進(jìn)行了仿真分析，結(jié)果表明采用系統(tǒng)小信號(hào)模型設(shè)計(jì)形成的穩(wěn)流型開(kāi)關(guān)電源控制系統(tǒng)完全可行。
關(guān)鍵詞：穩(wěn)流; 開(kāi)關(guān)電源; 控制系統(tǒng); PSpice
在實(shí)際的應(yīng)用過(guò)程中，很多的電氣設(shè)備都對(duì)電源提出了穩(wěn)流的要求。而在進(jìn)行穩(wěn)流的過(guò)程中，傳統(tǒng)的穩(wěn)流電源一般都是通過(guò)利用線性電源或者是相控電源來(lái)達(dá)到目的，存在著效率低、體積大、響應(yīng)速度跟不上、對(duì)電網(wǎng)污染大以及可靠性較差的特點(diǎn)。下面將PWM電源控制器UCC3895對(duì)中、大功率全橋移相軟開(kāi)關(guān)控制的恒流型開(kāi)關(guān)電源的控制系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)，并利用電子仿真軟件——PSpice進(jìn)行仿真分析。
全橋移相 PWM電源控制器屬于一種應(yīng)用范圍極為廣泛且能夠很好的勝任較高直流電壓、較大輸出功率，同時(shí)還需要將電源與負(fù)載完全隔離開(kāi)來(lái)的電源變換器。該種拓?fù)淇梢酝ㄟ^(guò)利用功率開(kāi)關(guān)的結(jié)電容以及變壓器的漏感形成諧振，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)零電壓開(kāi)關(guān)的目的。整個(gè)過(guò)程中不需要附加其他的設(shè)備，不會(huì)增加電路的設(shè)計(jì)成本，而且能夠保證其具有較大的開(kāi)關(guān)范圍。同時(shí)，由于傳統(tǒng)穩(wěn)流電源一般都采用單環(huán)反饋的方式進(jìn)行控制，在提高開(kāi)關(guān)電源性能指標(biāo)方面具有一定的局限性。因此，在這里采用雙閉環(huán)控制的方式，不但建立起開(kāi)關(guān)電源的小信號(hào)模型，而且還給整個(gè)反饋環(huán)電路設(shè)計(jì)一個(gè)有效的補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)，選用UCC3895作為主控制芯片，最終實(shí)現(xiàn)雙閉環(huán)穩(wěn)流型開(kāi)關(guān)電源控制系統(tǒng)。
1 穩(wěn)流型開(kāi)關(guān)電源的基本原理
采用的雙閉環(huán)穩(wěn)流型開(kāi)關(guān)電源的系統(tǒng)整體示意圖如下圖1所示。其中，三相交流輸入在通過(guò)不可控整流橋、全橋逆變，高頻降壓以及二次全波整流和濾波之后，得到了應(yīng)用過(guò)程中需要的直流輸出。同時(shí)，該系統(tǒng)當(dāng)中采用了頻率為20KHz 的整流器。其中的MOSFET能很好的適應(yīng)高頻、中小功率的應(yīng)用場(chǎng)合，而且主電路都采用了IGBT作為主功率開(kāi)關(guān)。該系統(tǒng)當(dāng)中的副邊輸出整流結(jié)構(gòu)沒(méi)有采用傳統(tǒng)的全橋整流，而是采用全波整流，這能很好的適應(yīng)低壓大電流的情況。
該雙閉環(huán)控制電路的設(shè)計(jì)思想是：將電流反饋環(huán)作為電路的外環(huán)，而將電壓反饋環(huán)作為電路的內(nèi)環(huán)，之后利用之將輸出電流轉(zhuǎn)化成為電壓 ，再將放大器正相端的電流基準(zhǔn)與反相端進(jìn)行對(duì)比，將兩者的輸出送至UCC3895的運(yùn)算放大器中，將之作為控制器正相端的基準(zhǔn)電壓，再次與反向端的輸出電壓獲得的采樣信號(hào)電壓 進(jìn)行對(duì)比，將輸出的信號(hào)送到芯片內(nèi)部的比較器，將之與三角波進(jìn)行對(duì)比，最終得到以方波形式表現(xiàn)的占空比變化，實(shí)現(xiàn)對(duì)全橋變換器的控制。
2 全橋移項(xiàng)PWM DC/DC 變換器閉環(huán)小信號(hào)系統(tǒng)模型
為了有效的避免主電路給控制電路信號(hào)帶來(lái)的干擾，應(yīng)該將主電路與控制電路進(jìn)行電氣隔離，同時(shí)滿足控制精度的相關(guān)要求。在應(yīng)用中、大型移相全橋DC/DC電源變換器的電路當(dāng)中，應(yīng)該采用霍爾電流傳感器，將之直接串接在逆變主變壓器的原邊、輸出濾波負(fù)載支路以及直流輸入母線的返回端的支路上。但是對(duì)于那些對(duì)于電源的穩(wěn)流特性高的恒定電源而言，電流傳感器最好設(shè)置在負(fù)載支路上，這樣可以有效的提高當(dāng)負(fù)載擾動(dòng)存在時(shí)依然可以實(shí)現(xiàn)較靈敏的響應(yīng)速度。而在進(jìn)行電流采樣時(shí)，當(dāng)設(shè)置在負(fù)載支路之上時(shí)，電流源型移相全橋DC/DC變換器小信號(hào)閉環(huán)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖如下圖2所示。
3 穩(wěn)流源控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)
3.1 電流源型閉環(huán)小信號(hào)控制系統(tǒng)調(diào)節(jié)元件參數(shù)設(shè)計(jì)
由于電流源型閉環(huán)小信號(hào)控制系統(tǒng)屬于二階系統(tǒng)，并且其輸出的濾波參數(shù)LC一般較大，其頻率參數(shù) 則較低。這時(shí)，系統(tǒng)在頻率中段以-40 dB/dec的斜率穿過(guò)零分貝線。假若采用的是PI調(diào)節(jié)元件，那么可以通過(guò)減少穩(wěn)態(tài)誤差來(lái)實(shí)現(xiàn);若想增加系統(tǒng)的響應(yīng)速度和靈敏度，則可以增加比例系數(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)。但是，這樣將使得系統(tǒng)不夠穩(wěn)定，導(dǎo)致系統(tǒng)的控制能力下降。為了確保系統(tǒng)達(dá)到性能基本穩(wěn)定、動(dòng)態(tài)性能達(dá)到要求的目的，在保證控制系統(tǒng)幅頻特性的基礎(chǔ)上，利用PID調(diào)節(jié)元件來(lái)實(shí)現(xiàn)這些要求。這里假設(shè)PID調(diào)節(jié)元件的傳遞函數(shù)是：
其中： 、 、 分別表示比例系、積分校正以及微分校正中用到的時(shí)間常數(shù)。
中包含有兩個(gè)零點(diǎn)需要確定，根據(jù)開(kāi)環(huán)的波德圖，其中的一個(gè)零點(diǎn)應(yīng)該設(shè)置在濾波過(guò)程中的諧振角頻率處，此時(shí) ;而另外一個(gè)零點(diǎn)應(yīng)該設(shè)置在上一個(gè)零點(diǎn)的1/3角頻率處，也就是 處。此時(shí)， ，而
而比例系數(shù)K則可以根據(jù)波德圖進(jìn)行對(duì)應(yīng)的調(diào)整，確保系統(tǒng)在穩(wěn)定的情況下盡量增加其整體相應(yīng)速度。
3.2 穩(wěn)流電源控制電路設(shè)計(jì)
UCC3895屬于一種全橋移相的PWM電源開(kāi)關(guān)控制器件，其功能較為完善，能夠自適應(yīng)死區(qū)的功能和軟啟動(dòng)/關(guān)斷的基本能力，能夠較好的實(shí)現(xiàn)對(duì)全橋主電路的軟開(kāi)關(guān)工作控制。此處將該芯片作為穩(wěn)流電源的控制器，包括對(duì)時(shí)鐘和鋸齒波的形成、電氣隔離、電壓電流采樣等控制子模塊，對(duì)輸出電流進(jìn)行采樣反饋之后形成閉環(huán)電流。同時(shí)，在對(duì)輸出電壓及其母線電流進(jìn)行采樣之后，可以完全實(shí)現(xiàn)對(duì)過(guò)流、過(guò)壓現(xiàn)象的保護(hù)，其控制電路圖如下圖3所示。
在圖3中，自適應(yīng)死區(qū)的延時(shí)功能將和ADS、CS以及DELAB、DELCD等信號(hào)針腳的設(shè)置相關(guān)，其處于最大延時(shí)模式時(shí)， 為開(kāi)路，這時(shí)， ，而ADS針腳的電壓為 ，兩橋臂的極限死區(qū)時(shí)間分別為： ， 。
在圖3中， 表示負(fù)載電流檢測(cè)電路的輸出電壓，而 、 分別表示輸出電壓和母線電流在采用隔離電路后的電壓和電流，這樣可以滿足工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)對(duì)于電流源的輸出特性的要求，且實(shí)現(xiàn)對(duì)過(guò)流與過(guò)壓的保護(hù)作用。
4 穩(wěn)流型開(kāi)關(guān)電源控制系統(tǒng)仿真
這里采用PSpice電子仿真軟件對(duì)上述設(shè)計(jì)的控制系統(tǒng)進(jìn)行仿真。仿真過(guò)程中將擾動(dòng)模擬為：t=2.5ms時(shí)輸出電壓從500V下降至400 V，而當(dāng)t=4ms時(shí)，系統(tǒng)的負(fù)載電阻R從40 Ω下降到20Ω，其具體的仿真結(jié)果如下圖4所示。其中，曲線1和2分別表示調(diào)節(jié)器的輸出電壓值以及輸出濾波的電感電流的波形圖;而曲線3和4則表示 以及輸出電流 的波形。
通過(guò)仿真結(jié)果的分析，以小信號(hào)模型為基礎(chǔ)設(shè)計(jì)的控制器能夠在電源電壓擾動(dòng)較大以及電源自身啟動(dòng)擾動(dòng)的情況下穩(wěn)定的工作。當(dāng)負(fù)載突然變化時(shí)，系統(tǒng)可能出現(xiàn)不穩(wěn)定的情況，導(dǎo)致調(diào)節(jié)元件出現(xiàn)輸出極值的問(wèn)題。但是，依然可以通過(guò)利用PWM控制器對(duì)電路的固有限幅特性進(jìn)行調(diào)節(jié)，能夠使得系統(tǒng)從非線性控制狀態(tài)進(jìn)入到線性的控制狀態(tài)，基本實(shí)現(xiàn)對(duì)電源的技術(shù)要求。
轉(zhuǎn)載請(qǐng)注明來(lái)自發(fā)表學(xué)術(shù)論文網(wǎng)：http:///jzlw/10436.html
