峰值电流模式的移相半桥三电平DC_DC变换器闭环系统建模研究

的副边电压损失与负载电流的比值 。 ( 2) 半桥三电平控制 ^ d 对输出滤波电感^ i L 的传 递函数 Gid ( s)
Gid ( s) = ^ iL ( s) ^ d ( s)
^ uI = 0
=
R Lf Rd L f Cs + [ + ( Rd + RC ) C]s + +1 R R
2
N U I ( Cs +
关键词 : 半桥三电平变换器 ;峰值电流模式 ;小信号建模 ;MA TL AB 仿真 中图分类号 :TM133 文献标识码 :A 文章编号 :100529490( 2008) 0621828204 1992 年巴西的 Pinheiro 提出了零电压开关半 桥三电平直流变换器 , 解决了由于采用功率因数校 正 ( Power Factor Correctio n ,PFC) 技术带来功率管 开关应力过高的问题[ 1 ] ; 同时该变换器利用变压器 漏感 ( 或外加谐振电感) 和开关管的结电容实现开关 管的 ZV S , 拓扑结构简单 , 是目前在高压大功率开 关电源中应用最为广泛的变换器拓扑之一 。另外 , 在变换器控制方式上 ,峰值电流模式采用双环控制 , 让电感电流跟踪电压外环误差信号 , 可使系统的稳 定性增强 ,系统动态响应快 , 易于均流等特点 , 是目 前在开关电源控制上应用最为广泛的控制模式 。开 关电源动态分析的关键是建模 , 目前国内外对于移
第6期
张云安 ,孙 强等 : 峰值电流模式的移相半桥三电平 DC/ DC 变换器闭环系统建模研究 占空比 ΔD 的表达式为
1829
相全桥 DC/ DC 开环变换器的建模和分析较为成 熟 [ 122 ] ,但鲜有文献对移相半桥三电平变换器进行建 模分析 ,特别是基于峰值电流模式的该变换器闭环 系统建模分析 。因此 , 本文通过时域推导和频域法 及状态空间平均技术 , 建立了基于峰值电流模式的 移相半桥三电平 DC/ DC 变换器闭环控制系统小信 号模型 ,并给出了闭环系统补偿网络参数的寻优步 骤 ,最后用 MA TL AB 对建立的闭环系统进行了仿 真验证 ,仿真结果表明经过补偿后的变换器闭环系 统具有满意的性能指标 。
第 31 卷 第6期 2008 年 12 月
电 子 器 件
Chinese J our nal Of Elect ron Devices
Vol . 31 No. 6 Dec . 2008
Modeling Study on Closed2Loop System of Phase2Shif ted H alf2Bridge Three2Level DC/ DC Convertor Based on Peak Current Mode 3
ΔD = L r I1 + I2 ( 4) U I T/ 2 把式 ( 2) , ( 3) 代入上式 ,得有效占空比为 UO 2 NL r ( 1 - D) T 2 IL Dff = D - Δ D = D Lf 2 UI T ( 5) 由上式可知 ,有效占空比 Deff 是原边占空比 D 、 输入电压 U I 、 负载电流 IL 的函数 。D 、 UI 、 IL 的扰 动 ,就会产生相应的有效占空比 Deff 扰动 。这样在 半桥三电平存在三种不同扰动^ iL 、 ^ uI 、 d , 使有效占空 ^ 比 Deff 产生相应的三种扰动 ^ di 、 ^ du 、 ^ d d 。对式 ( 5 ) 三个 扰动量分别进行求偏导 , 若负载电流连续且考虑 2 N L r Φ L f ,则 : 4 NL r 4 NL r IL ^ deff = ^ dd + ^ di + ^ du = ^ d ^ iL + ^ u I ( 6) 2
2 Rk T ( mc + m1 )
其中 Fi ( s) =
2 峰值电流模式双闭环传递函数
基于峰值电流模式的双闭环系统反馈网络框图 如图 4 所示 。图中 ue 为电压外环误差调节信号 ,作 为峰值电流内环的给定 。iL 为输出滤波电感电流 , 电流霍尔传感器安装在变压器原边 , 输出滤波电感 电流 iL 经过变压器 、 霍尔传感器 、 信号调理电路 ( 包 括整流 、 放大电路) 的传递变为电压信号 uL ,其代表 了输出滤波电感电流的大小 , 设 uL = Rk iL , 其中 R k 为变压器变比 、 霍尔传感器 、 信号调理电路的传递系 数 。虽然峰值电流模式具备很多优点 , 但也有一个 缺点 ,即当占空比大于 50 %时系统工作不稳定 , 因 此需要进行斜坡补偿 [ 425 ] , 在控制工程上 , 一般取斜 坡补偿信号斜率 mc 大小为电感检测电流的下降率 [6 ] m2 的 75 % 。本系统采取对电流信号进行补偿的 方法 ,设补偿信号为 uC , 它与代表反馈电流大小的 电压信号 uL 进行叠加形成 u′ L , 该信号与电压外环 误差输出信号 ue 进行比较形成 PWM ,通过移相形 成电路实现对系统的闭环控制 。
收稿日期 :2008201224 基金项目 : 教育部重点科学研究计划项目资助 (205154) 作者简介 : 张云安 (19782) ,男 ,讲师 ,硕士 ,主要研究方向为高频大功率开关电源 ,zhyanj @xaut . edu. cn ; 孙 强 ( 19552) ,男 ,教授 ,主要研究方向为大功率开关电源装备研制
Z H A N G Y un2an , S U N Qi an g
3
, W A N G Y an g
( College of A utomation an d I nf ormation Engi neeri n g , X i’ an Uni versit y of technolog y , X i’ an 710048 , Chi na)
Abstract : The technology of PFC is originated f ro m clearance2up of power line harmo nic wave , but it has bro ught fort h t he p ro blem of high st ress of power t ransistor s. The topology of half2bridge Three2Level co nvertor has solved t he p ro blem and suit t he applicatio n of high voltage and large power o utp ut . A s mo st p ractical co nt rol mode in switch power supply systems , Peak2current co nt rol mode is co mpo sed of peak current inner loop and voltage o uter loop . The paper analyzes t he small2signal mo del for p hase2shif ted half2 bridge Three2Level DC/ DC co nverto r firstly , t hen small2signal t ransfer f unctio ns of peak current inner loop and voltage o uter loop are established. Af terwards t he t hesis gives t he do uble2loop system f ramewo rk of t he p hase2shif ted half2bridge Three2Level co nverto r and deduces so me relevant clo sed2loop t ransfer f unc2 tio ns. Design met hod for t he parameter s of t he co mpensatio n net work is p rovided. Finally , t he paper simulates t he established clo sed2loop system by t he sof t ware of MA TL AB. The simulatio n result s verif y t he clo sed2loop system co mpensated has satisf ying performance. Key words :half2bridge three2level convertor ;peak current mode ;small2signal modeling ;MATLAB emulation EEACC :1290 B
1 移相半桥三电平变换器建模
移相半桥三电平 DC/ DC 变换器主电路拓扑如 图 1 所示 ,其中图中的 RC 为输出滤波电容的寄生 等效电阻 。为了方便后面建模公式的书写 , 变换器 直流输入电压大小用 2 U I 表示 , U O 为直流电压输 出 。图 2 为变换器稳态运行时理论分析波形 。vAB 为变换器原边电压波形 , ip 为变压器原边电流波形 , vrect 为变压器副边电压波形 。
峰值电流模式的移相半桥三电平 DC/ DC 变换器闭环系统建模研究 3
张云安 ,孙 强 3 ,王 阳
( 西安理工大学自动化与信息工程拓扑解决了 PFC 技术带来的功率管应力过高问题 ,非常适合于大功率高压输出场合 ,峰值电流模
式采用电压外环 ,电流内环的双环控制 ,是开关电源闭环系统最实用的控制模式 。对移相半桥三电平 DC/ DC 变换器进行了 小信号建模分析 ; 建立了峰值电流内环和电压外环的小信号传递函数 ,在此基础上给出了峰值电流模式的移相半桥三电平变 换器闭环系统结构图 ,推导出相关闭环传递函数 ; 给出了补偿网络参数设计步骤 ; 对建立的双闭环系统模型进行了 MA TL AB 仿真 ,结果表明经过补偿后的闭环系统具有满意的性能指标 。
UI T UI T
这样就得到半桥三电平 ZV S PWM DC/ DC 变 换器小信号等效电路模型如图 3 所示 。
图3 变换器等效小信号模型
图1 移相半桥三电平 ZVS PWM 变换器主电路
由小信号模型可以得出相关的频域函数 : ( 1) 半桥三电平控制 ^ d 对输出电压^ u O 的传递函 数 Gud ( s)
1)
( 3) 输入电压扰动 ^ u I 对输出电压 ^ uO 的音频衰减 函数 Gud ( s)
Gug ( s) = ^ uo ( s) ^ u I ( s)
^ d =0
=
( RC Cs + 1) ( 1 + Rd / R) N D eff Lf Rd L f Cs + [ + ( Rd + RC ) C]s + +1 R R
Gud ( s) = ^ uO ( s) ^ d ( s)
^ uI = 0
=
( RC Cs + 1) N U I Lf Rd L f Cs + [ + ( Rd + RC ) C]s + +1 R R
2
式中 : Rd =
图2 变换器理论分析波形
4 N2 L r
T
, Rd 的意义是负载电流引起
定义有效占空比为 Deff , 记半桥三电平变换器 高频变压器原副边匝比为 1 : N ,则稳态时有 : ( 1) U O = Deff N U I 图 2 中 , 不考虑原边电流方向 , 只考虑 大小 。 t4 、 t9 时刻原边电流大小一样 ,其大小为 : ΔI ( 2) I1 = N I L 2 式中 ,ΔI = Ipeak - I1 , Ipeak 为变压器原边电流最大值 , IL 为滤波电感平均电流 。 t2 、 t7 、 t12 时刻电流大小一样 ,其大小为 ΔI 1 T ( 3) U O ( 1 - D) I2 = N IL + Lf 2 2 图 2 中 ( t2 、 t4 ) 为副边电压丢失时间段 , 即丢失
2
1830 ( 4) 开环输出阻抗 Zout ( s)
Zout = ( Rd + sL f ) ( RC Cs + 1) Lf Rd L f Cs + [ + ( Rd + RC ) C]s + +1 R R
2
电 子 器 件
F′ i ( s) =
第 31 卷 Δ 2 Rk ^ d D = == - Fi ( s) Δi L ^ iL T ( mc + m1 )