高頻感應加熱電源斬波器補償電路的設計

0 引言
感應加熱電源的調功方法有很多，在進一步提高功率和逆變器的工作頻率時，一般選擇在整流側調功。而斬波調功在直流電壓下工作，供電功率因數高，對電網的諧波干擾小，電路的工作頻率高，而且與逆變器控制分開，使得系統更加穩定可靠，故適用于電壓型逆變器使用。
在斬波調功的感應加熱電源中，逆變電源的功率控制主要是轉化為Buck斬波器的功率控制，即通過改變Buck斬波器的驅動脈沖來調節輸出電壓，從而調節電源的輸出功率。但是Buck斬波器輸出電壓可能有偏差，環路設計就變成一項很重要的工作，它關系到電路的穩定性、響應速度、動態過沖等指標。本文在分析基于功率控制的Buck斬波器的小信號模型和反饋控制模式的基礎上，探討了反饋控制的傳遞函數和環路參數的設計。

1 基于功率控制的Buck變換器分析
如圖1所示，Buck變換器的功率控制包括3個部分，Buck斬波器、誤差放大器和PWM脈沖調節器，其中，Buck斬波器反映了電源本身的特性，通過建模的方法可以分析其輸入到輸出、控制到輸出的特性；誤差放大器和PWM脈沖調節器構成反饋環節，誤差放大器實質上是一個補償網絡，將給定信號與輸出信號的差值放大，通過PWM脈沖調節器調節占空比D(t)最終可以調節輸出電壓UO，使輸出穩定在給定值上。
整個功率控制環的設計可以等價為對Buck斬波器控制器設計，因此必須首先建立控制對象――Buck斬波器的在電感電流連續(C CM)模式下的小信號模型。

圖2為設定Buck電路工作于電感電流連續狀態(C CM)，應用三端PWM平均模型方法，并考慮電感電阻rL和電容RC(ESR)，見圖3。圖2中虛線框內部分為三端PWM模型，由開關管VT、二極管VDF和續流二極管VD組成，其中，ia和ic分別代表ia(t)、ic(t)的平均變量，Uap和Ucp分別代表 Uap(t)、Ucp(t)平均變量，其中ia(t)和ic(t)為流入a端和流出c端的電流瞬時變量，Uap(t)和Ucp(t)為端口ap和cp的電壓瞬時變量，它們是時間的函數。將主開關管等效成受控電流源形式，二極管VDF等效成受控電壓源形式，由此可以得出如圖3中虛線所示的三端PWM7開關模型。

當不考慮電感內阻(通常可省略)時，可以得到Buck變換器占空比到輸出的傳遞函數為：