MATLAB中的SISOTOOL在數字式移相全橋中的應用

摘要：開關電源技術的數字控制可實現先進的控制策略，簡化系統的結構，縮小體積，提高系統性能。本文用MATLAB中的SISOTOOL實現了數字控制移相全橋的PI補償，解決了移相全橋PI參數設計困難的問題，并用Simulink仿真驗證了設計的結果。 敘詞：SISOTOOL 移相全橋 數字控制 Abstract：The digital control of switching power supply technology can achieve advanced control strategy, simplify the system structure, reduce the volume and improve the performance . This paper realize the PI compensation of digital control Phase Shift Full Bridge, resolves its difficulty for designing PI paramenters using SISOTOOL of MATLAB and the simulation proves the result designed. Keyword：SISOTOOLPhase-Shifted-Full-Bridge digital control
1、引言

移相全橋在大功率場合應用的比較多，是技術比較成熟的一種開關拓撲。移相全橋DC/DC變換器是非線性時變電路。在分析時，用經典線性電路理論和控制理論對其進行小信號建模，建立開關的狀態空間平均模型，對其配置零極點，設計控制器。而在數字控制里，最重要的就是PI調節。

PI參數的選擇是很有講究的。移相全橋空載的時候是一個欠阻尼二階系統，帶載時，系統的零極點又會發生變化。所以，PI的選擇要使系統在整個負載范圍內保持良好的動靜態特性。PI參數的計算也有難度。用單環控制進行調節，可使控制器的設計簡化，但是這種方法只有當負載擾動的影響在輸出端表現之后，控制器才有反應，控制速度不快。因此，采用電壓電流雙閉環控制，當然，控制器比單環控制時更難設計。

用MATLAB中的SISOTOOL模塊，在閉環控制系統的設計過程中進行校正，減少了設計的復雜性和重復性，有效地提高了校正系統的控制精度，給控制系統的設計帶來更高的效率和更好的質量，簡化了設計電壓電流雙閉環控制過程中大量的計算，最終得到穩定的模型和好的動態特性。

2、移相全橋的模型

移相全橋ZVS變換器和普通的BUCK變換器有一定的相似性，由于移相全橋有漏感，所以又有著顯著的不同。占空比對電感電流的傳遞函數[1]是

（1）

其中R_d=4n²L_lkf_s。
經過計算，選取Uin=400V，U0=48V，開關率頻fs=100kHz，輸出功率P=400W，RL=5.76Ω。根據計算得，n=5，Lf=150uh，Cf=330uh， Llk=80uf。

3、用SISO對移相全橋控制器進行PI參數配置

對一般的控制系統來講，控制系統對開環頻率特性的要求如下：

(1)為了獲得較好的系統穩定性，開環系統中頻段應有足夠的頻帶寬度，以-20dB/dec的斜率穿越0分貝線；
(2)為了獲得較好的動態特性，截止頻率應較高；
(3)應該留有足夠的相位裕量，工程領域普遍認為=45°表示系統具有足夠的相位裕度，相位裕度越大，對應系統的超調量就會越小；
(4)為了提高系統的穩定特性，低頻段應該有高的增益；
(5)為了提高系統的抗高頻干擾能力，高頻段應該有快的衰減。

本文采用全數字控制環路設計方法，在連續域中，通過SISOTOOL來配置PI控制器，離散化后再由DSP控制，移相全橋系統框圖如圖1所示。

圖1 移相全橋的控制框圖

SISOTOOL是MATLAB中的一個圖形用戶界面，通過利用根軌跡圖或伯德圖來調整單輸入單輸出反饋控制系統，進行控制器的設計。它不需要以命令行的方式輸入大量的指令，只需導入各環節的模型，用鼠標可以直接對屏幕上的對象進行操作。這樣，與SISOTOOL連接的可視分析工具LTIviewer馬上顯示出設計結果，用戶可結合閉環響應來調整增益和零極點，從而設計出滿意的控制器。本文主要通過頻域調節的方法，來得到合理的補償控制器。

3.1 電流環的設計

以輸出濾波電感電流作為電流反饋，電流環功率級的傳遞函數計算后為

將輸出濾波電感的電流作為控制系統內環，不僅可以大大提高控制系統的穩定性，改善系統的動態特性和穩態特性，而且還可以提供快速的過流保護。帶電感電流內環的控制系統框圖如圖2所示。

圖2 電流控制環