文丨游添科

穩(wěn)流型開關電源的控制系統(tǒng)

文丨游添科

在對穩(wěn)流型開關電源的基本原理進行論述的基礎上，通過建立起全橋移項PWMDC/DC 變換器小信號模型，對穩(wěn)流型開關電源的控制系統(tǒng)進行研究，對穩(wěn)流型開關電源閉環(huán)控制系統(tǒng)的電路組成以及數(shù)學模型進行分析和研究。并利用電子仿真軟件對該系統(tǒng)進行仿真分析，結果表明采用系統(tǒng)小信號模型設計形成的穩(wěn)流型開關電源控制系統(tǒng)完全可行。

穩(wěn)流； 開關電源； 控制系統(tǒng)； PS pice

在實際的應用過程中，很多的電氣設備都對電源提出了穩(wěn)流的要求。而在進行穩(wěn)流的過程中，傳統(tǒng)的穩(wěn)流電源一般都是通過利用線性電源或者是相控電源來達到目的，存在著效率低、體積大、響應速度跟不上、對電網(wǎng)污染大以及可靠性較差的特點。下面將PWM電源控制器UCC3895對中、大功率全橋移相軟開關控制的恒流型開關電源的控制系統(tǒng)進行設計，并利用電子仿真軟件——PSpice進行仿真分析。

全橋移相 PWM電源控制器屬于一種應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，同時還需要將電源與負載完全隔離開來的電源變換器。該種拓撲可以通過利用功率開關的結電容以及變壓器的漏感形成諧振，進而實現(xiàn)零電壓開關的目的。整個過程中不需要附加其他的設備，不會增加電路的設計成本，而且能夠保證其具有較大的開關范圍。同時，由于傳統(tǒng)穩(wěn)流電源一般都采用單環(huán)反饋的方式進行控制，在提高開關電源性能指標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，不但建立起開關電源的小信號模型，而且還給整個反饋環(huán)電路設計一個有效的補償網(wǎng)絡，選用UCC3895作為主控制芯片，最終實現(xiàn)雙閉環(huán)穩(wěn)流型開關電源控制系統(tǒng)。

1 穩(wěn)流型開關電源的基本原理

圖1 穩(wěn)流電源系統(tǒng)結構

采用的雙閉環(huán)穩(wěn)流型開關電源的系統(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，得到了應用過程中需要的直流輸出。同時，該系統(tǒng)當中采用了頻率為20KHz 的整流器。其中的MOSFET能很好的適應高頻、中小功率的應用場合，而且主電路都采用了IGBT作為主功率開關。該系統(tǒng)當中的副邊輸出整流結構沒有采用傳統(tǒng)的全橋整流，而是采用全波整流，這能很好的適應低壓大電流的情況。

該雙閉環(huán)控制電路的設計思想是：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化成為電壓Vif，再將放大器正相端的電流基準與反相端進行對比，將兩者的輸出送至UCC3895的運算放大器中，將之作為控制器正相端的基準電壓，再次與反向端的輸出電壓獲得的采樣信號電壓Vf進行對比，將輸出的信號送到芯片內(nèi)部的比較器，將之與三角波進行對比，最終得到以方波形式表現(xiàn)的占空比變化，實現(xiàn)對全橋變換器的控制。

2 全橋移項PWMDC/DC 變換器閉環(huán)小信號系統(tǒng)模型

為了有效的避免主電路給控制電路信號帶來的干擾，應該將主電路與控制電路進行電氣隔離，同時滿足控制精度的相關要求。在應用中、大型移相全橋DC／DC電源變換器的電路當中，應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、輸出濾波負載支路以及直流輸入母線的返回端的支路上。但是對于那些對于電源的穩(wěn)流特性高的恒定電源而言，電流傳感器最好設置在負載支路上，這樣可以有效的提高當負載擾動存在時依然可以實現(xiàn)較靈敏的響應速度。而在進行電流采樣時，當設置在負載支路之上時，電流源型移相全橋DC／DC變換器小信號閉環(huán)系統(tǒng)的結構示意圖如下圖2所示。

圖2 電流源型移相全橋DC/DC 變換器小信號閉環(huán)系統(tǒng)結構示意圖

3 穩(wěn)流源控制系統(tǒng)設計

3.1電流源型閉環(huán)小信號控制系統(tǒng)調(diào)節(jié)元件參數(shù)設計

由于電流源型閉環(huán)小信號控制系統(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，系統(tǒng)在頻率中段以-40dB/dec的斜率穿過零分貝線。假若采用的是PI調(diào)節(jié)元件，那么可以通過減少穩(wěn)態(tài)誤差來實現(xiàn)；若想增加系統(tǒng)的響應速度和靈敏度，則可以增加比例系數(shù)來實現(xiàn)。但是，這樣將使得系統(tǒng)不夠穩(wěn)定，導致系統(tǒng)的控制能力下降。為了確保系統(tǒng)達到性能基本穩(wěn)定、動態(tài)性能達到要求的目的，在保證控制系統(tǒng)幅頻特性的基礎上，利用PID調(diào)節(jié)元件來實現(xiàn)這些要求。這里假設PID調(diào)節(jié)元件的傳遞函數(shù)是：

而比例系數(shù)K則可以根據(jù)波德圖進行對應的調(diào)整，確保系統(tǒng)在穩(wěn)定的情況下盡量增加其整體相應速度。

3.2穩(wěn)流電源控制電路設計

UCC3895屬于一種全橋移相的PWM電源開關控制器件，其功能較為完善，能夠自適應死區(qū)的功能和軟啟動/關斷的基本能力，能夠較好的實現(xiàn)對全橋主電路的軟開關工作控制。此處將該芯片作為穩(wěn)流電源的控制器，包括對時鐘和鋸齒波的形成、電氣隔離、電壓電流采樣等控制子模塊，對輸出電流進行采樣反饋之后形成閉環(huán)電流。同時，在對輸出電壓及其母線電流進行采樣之后，可以完全實現(xiàn)對過流、過壓現(xiàn)象的保護，其控制電路圖如下圖3所示。

圖3 穩(wěn)流電源控制器電路示意圖

在圖3中，自適應死區(qū)的延時功能將和ADS、CS以及DELAB、DELCD等信號針腳的設置相關，其處于最大延時模式時，R7為開路，這時，，而ADS針腳的電壓為UADS，兩橋臂的極限死區(qū)時間分別為：，。

在圖3中，uif表示負載電流檢測電路的輸出電壓，而us、is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)場對于電流源的輸出特性的要求，且實現(xiàn)對過流與過壓的保護作用。

4 穩(wěn)流型開關電源控制系統(tǒng)仿真

這里采用PSpice電子仿真軟件對上述設計的控制系統(tǒng)進行仿真。仿真過程中將擾動模擬為：t=2.5ms時輸出電壓從500V下降至400V，而當t=4ms時，系統(tǒng)的負載電阻R從40Ω下降到20Ω，其具體的仿真結果如下圖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U0以及輸出電流I0的波形。

圖4 穩(wěn)流電源開關控制系統(tǒng)仿真圖示

通過仿真結果的分析，以小信號模型為基礎設計的控制器能夠在電源電壓擾動較大以及電源自身啟動擾動的情況下穩(wěn)定的工作。當負載突然變化時，系統(tǒng)可能出現(xiàn)不穩(wěn)定的情況，導致調(diào)節(jié)元件出現(xiàn)輸出極值的問題。但是，依然可以通過利用PWM控制器對電路的固有限幅特性進行調(diào)節(jié)，能夠使得系統(tǒng)從非線性控制狀態(tài)進入到線性的控制狀態(tài)，基本實現(xiàn)對電源的技術要求。

5 結束語

開關電源廣泛應用于工業(yè)自動化控制、電力電子設備及其它多個領域。隨著電力電子技術的高速發(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。本文淺談穩(wěn)流型開關電源的控制系統(tǒng)，對其電路組成以及數(shù)學模型進行分析和研究，雖然穩(wěn)流型開關電源應用相對沒有穩(wěn)壓型開關電源廣泛，但伴隨著更多領域中的需求，其作用也是不容忽視的，其優(yōu)點也將更廣泛地得到認識與應用。

[1] 蔡子亮，方波. 穩(wěn)流型開關電源控制系統(tǒng)研究. 電力自動化設備，2007（8）：69-72.

[2] 張冬梅，楊蘋，劉軍，等. 基于UC3875的雙閉環(huán)控制穩(wěn)流型開關電源.微計算機技術，2009，25(7-1)：127-129.

[3] 王雅靜，李田澤，竇震海，等. VB 調(diào)用 MATLAB 的編程技術與干涉圖象處理系統(tǒng). 微計算機信息，2007，23(9-2)：105-106.

（福建日報（泉州）印務有限公司，福建泉州 362200）