現代電力電子技術在高頻二次開關電源中的應用

作者/陳松伯，張晉(湖南工業大學，湖南 株洲412000)

　　摘要：高頻開關電源是一種能量轉換器，其功率器件主要工作在開關狀態而非放大狀態，整體具有頻率高、體積小、功耗低的特點。其中，DC/DC變換可充當二次電源，將恒定的直流電壓變換成可調的直流電壓，在DC/DC變換中，Buck斬波電路是直流斬波電路中最常用、最簡單的電路拓撲。由于在經典的Buck斬波電路中只要電子元器件的參數稍有變化，系統即會發生振蕩現象;另外，系統的穿越頻率設計的過低，將會導致系統的響應速度很慢，本文借助PID補償網絡對其進行調節校正以減小系統的穩態誤差，借助MATLAB進行幅頻域分析，使新系統補償網絡能夠很好的實現靜態與動態穩定。并通過Saber仿真軟件進行了總體閉環控制的仿真，實現對原系統的改進工作，并將最終設計好的開關電源實物平臺進行驗證達到了預期調壓減噪的作用。

　　關鍵詞：直流斬波技術;開關電源;Buck電路;PID調節;saber仿真

　　0 引言

　　現階段，電力電子技術得到迅速發展，電力電子設備與人們的生活也隨之變得日益密切，開關電源技術在此更是處于核心地位 ^[1-6]。較線性電源相比，其工作在開關狀態而非放大狀態，可以有效地降低開關損耗問題;較相控電源相比不受功率因數影響，利用PWM技術來控制IGBT的導通時間占空比來達到穩壓作用^[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，既可以調節輸出電壓，還可以有效地抑制電網側諧波電流噪聲。

　　通常將直流斬波(DC/DC)變換器作為二次電源，對其功率密度要求甚高。為了解決傳統開關電源的不穩定性問題，現以Buck電路為研究對象，將其設計方案、拓撲結構進行優化，從而提高其穩定性和抗干擾性能，進而提高開關電源的可靠性。Buck降壓變換器作為開關電源基本拓撲結構中最簡單的一種，能對輸入電壓進行降壓變換，即輸出電壓低于輸入電壓，由于其具有優越的變壓功能，因此可以用于需要直接降壓的場合^[9]。本文將在已有的Buck電路進行參數改進，對濾波電感和濾波電容重新設計，并加入PID調節網絡，通過saber軟件對系統進行仿真驗證，最終實現提高系統響應速度和降低穩態誤差的作用。

　　1 Buck電路器件的選型和設計

　　1.1 濾波電感的設計

　　盡管Buck降壓拓撲電路結構可在不連續模式下工作，但是一些帶Buck型輸出濾波器的拓撲卻會在不連續的模式下出現故障^[10]，因此，對此類輸出濾波器的拓撲，電感的選擇應該保證系統輸出最小規定電流(通常為額定電流的1/10)時，電感電流也要保持連續，直流電流等于電感電流斜坡峰值一半時對應臨界連續，主電路拓撲如圖1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 濾波電容的設計

　　濾波電容的選擇必須滿足輸出紋波的技術要求，實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，頻率在300 kHz~500 kHz范圍以下時電感L值可以忽略(當前設計為100 kHz)不計，這時輸出紋波僅由電阻R和電容C的值決定：

　　2 Buck電路器件的選型和設計

　　2.1 原始系統的頻率特性

　　(1)設計電壓采樣網絡。在設計IGBT開關調節系統時，為了更好的消除穩態誤差es，需在系統的低頻段(尤其在直流頻率點處)，確保開環傳遞函數的幅值遠遠大于1，即此時的直流頻率點系統為深度負反饋系統。對于深度負反饋系統，參考電壓Vref與輸出電壓Vo之比是電壓采樣網絡的傳遞函數，即

　　(2)繪制原始系統的Bode圖。此時電路工作于電流連續模式(CCM)，若忽略電容等效串聯電阻(ESR)的影響，對小信號模型進行分析，可得到Buck斬波電路變換器的傳遞函數為：

　　其中，交流小信號的電路模型參數計算如下：

　　其中，，交流小信號模型下的 Buck變換器傳遞函數為：

　　3)繪制系統開環傳遞函數的波特圖。由系統的開環特性可得開環傳遞函數：

　　反向放大器引起了一個-180°固定的相移，這樣就構成了一個原始系統，其開環傳遞函數：

　　根據式(12)、(13)可以繪制開環傳遞函數的幅頻和相頻特性，如圖2所示。

　　由圖2可知，當穿越頻率為fc=1.99 kHz時，相位裕度為jM=6°。可以判斷此時的系統是穩定的，但是如果改變系統中的參數，此時系統可能會波動而變得不穩定，另外，穿越頻率(為1.99 kHz)太低時，系統的響應速度會變得很慢。總之，只使用一個高增益的反向放大器作為控制器，不能使對象的控制達到穩、準、快的要求。因此，該經典電路需進一步改進。

　　2.2 補償網絡的設計

　　將圖2中的穿越頻率fc=1.99 kHz，相角裕度6°進行改進，在遠遠小于穿越頻率fc處，給予PD補償網絡加入零點fz，此時的開環傳函超前位移就會變得足夠大，以確保原系統有充足的相位裕度。但是，增加零點fz又帶來了新的問題：例如，如果高頻段增益降低，會使系統的原有斜率從-40 dB/dec上升到-20 dB/dec;可能使相位裕度達到90°,過大的相位裕度會對其他動態性能不利。此時可在系統大于零點頻率附近再引入一個極點，即使用PD補償網絡來解決以上產生的相角裕度問題。

　　PD補償網絡的電路拓撲結構如圖3所示。

　　PD補償網絡的傳遞函數為：

　　為了提高系統的穿越頻率f_c，需要將加入補償網絡后的開環傳遞函數穿越頻率f_c變成原開關頻率f_s的1/20，即：。

　　在原系統5 kHz處，幅頻特性的幅值為：

　　經過以上調節使系統在fc=5 kHz穿越頻率處，。設此時的相位裕量，則PD補償網絡的零、極點頻率計算公式為：

　　根據式(19)中的傳遞函數，利用MATLAB繪出系統的超前補償網絡傳遞函數的波特圖如圖4所示。

　　由圖4可以看出，當穿越頻率為fc=5.1 kHz，相角裕度為時，穿越頻率符合約定的頻率范圍內(2.2 kHz~8.3 kHz)，此時開環傳遞函數的相位裕度。此時可以發現，只要系統中的電子器件的值稍加變化，穿越頻率會稍稍偏離5.1 kHz，這時對相位裕度影響較小。由于在0 kHz~1 kHz范圍內，幅頻特性曲線是平緩的，因此，系統穩態誤差大。據此，可以通過在PID補償網絡的加入倒置零點解決以上問題。

　　2.3 PID補償網絡的設計

　　改進的PID補償網絡的電路模型如圖5所示，根據其拓撲電路可推出傳遞函數為：

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

　　則。

　　改進后的PID補償網絡的傳遞函數為：

　　根據PID 補償網絡的傳遞函數可以得到調整后的波特圖，如圖6所示。

　　取R_f=10 kW，計算得C_f=3.2nF，R_ip=434 W，R_iz=3.2kW，C_i=28.6nF。

　　由圖6中可知，當fc=5.16 kHz時,相位裕度為，在高頻段時，曲線在-40 dB/dec時的斜率下降，在此范圍內可有效地抑制高頻干擾。

　　3 總電路圖的仿真與實驗

　　Buck電路的開關管選用P溝道MOSFET，開關管的驅動采用SG3525芯片，SG3525 是一種性能優良、功能齊全和通用性強的單片集成PWM控制芯片，它簡單可靠及使用方便靈活，輸出驅動為推拉輸出形式，驅動能力強;其內部含有的欠壓鎖定電路、軟啟動控制電路等，具有過流保護、頻率可調功能，同時能限制最大占空比，防止溢出。

　　利用Saber仿真軟件，對系統進行仿真，能夠得到系統的輸出響應曲線，通過仿真曲線可以得出，輸出的電壓平均值為3.34 V，紋波峰峰值為0.108 V，滿足設計要求。仿真波形如圖7所示。

　　由圖7可以看出，實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，曲線的超調還是稍大，同時系統的穩態誤差仍然存在，給系統的穩定性帶來一定的安全隱患。為此，需要對以上系統參數進行重新設置，以確保穩態誤差盡可能降為零。

　　對PID補償網絡的參數進行整定后，使得R_f=10 kW，C_f=1 nF，R_ip=510 W，C_i=100 nF。以此參數進行仿真并與原仿真結果進行比較，此時系統響應如圖8所示。

　　從圖8中曲線中可以明顯的看出，經過調整后的系統電壓變化曲線較修正之前的電壓曲線相比，在調整時間不變的前提下，使系統的超調量大大減小，并且保證了系統的穩態誤差為零，大大提升了系統的抗擾性能。

　　4 展望

　　DC/DC斬波技術的高速發展，使得開關電源技術趨向高性能化、智能化、集成化、模塊化的方向發展。并且在此基礎上，逐漸推出了新的DC/DC變換器技術，例如VRM技術，要求其負載電流的響應速度更快速，在體積足夠小的前提下，確保電力電子器件的高效率。又如，為了應對開關電源趨于高頻化發展后造成的開關器件損耗大增的問題，將軟開關技術應用到了DC/DC變換器中，以達到減少開關損耗、提高效率的功能。

　　隨著新型電子器件和拓撲結構的出現，開關電源將實現高頻化、模塊化、綠色化和智能化的集成，并且將應用到更廣泛的領域。

　　5 結論

　　隨著大規模集成電路的高速發展，要求開關電源模塊趨于小型化，在其設計過程中需不斷提高開關頻率，開發和設計新型的電路拓撲結構，本文提出的PID調解網絡模式下的Buck直流斬波電路可代替普通變阻器實現調壓和節能的功效。開關電源的輸出電壓如果超出正常范圍，會對通信設備造成損壞，所以在其輸出端設計輸出電壓保護，一旦輸出電壓超過給定值，開關電源會將輸出閉鎖，達到過壓保護作用。在電力電子技術的應用及各種電源系統中，開關電源技術均處于核心位置。以傳統的大型電路為例，若采用高頻開關電源技術會降低整套系統的體積，而且可極大提高電源利用效率、節省材料、降低成本。就目前來看，開關電源必將在未來的電力電子技術應用中起到關鍵的作用。

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本文來源于科技期刊《電子產品世界》2019年第3期第69頁，歡迎您寫論文時引用，并注明出處