韓冬

【摘 要】SEPIC電路具有效率高、輸出升降壓、開關停止停振等優(yōu)點，本文在分析SEPIC電路基本原理的基礎上，利用電源環(huán)路控制理論，介紹了一種SEPIC轉(zhuǎn)換器環(huán)路補償參數(shù)的設計方法，通過實驗得出設計的SEPIC電路完全滿足性能指標，動態(tài)性能良好，驗證了理論設計的正確性。

【關鍵詞】SEPIC；環(huán)路補償；環(huán)路控制；直流-直流變換器

0 引言

隨著能源短缺、環(huán)境污染等問題日益嚴重，電動汽車作為一種安全、經(jīng)濟、清潔的綠色交通工具，在能源、環(huán)境方面有其獨特的優(yōu)越性和競爭力，因而具有廣闊的發(fā)展前景。

電動汽車驅(qū)動系統(tǒng)作為唯一的動力裝置，由電機和控制器組成?？刂破髦饕晒β誓K和控制模塊構(gòu)成。不管是功率模塊還是控制模塊，其有源器件的電源一般來自直流電源或電池，這就需要廣泛使用DC-DC 轉(zhuǎn)換器。在DC-DC轉(zhuǎn)換器中，Buck-Boost，Cuk，SEPIC轉(zhuǎn)換器都能滿足升降壓的要求。但是經(jīng)過Buck-Boost和Cuk轉(zhuǎn)換器變換后的輸出電壓與輸入電壓的極性是相反的。這個問題一方面雖然能通過在電路中加一個隔離變壓器來修正，但是不可避免地會增加轉(zhuǎn)換器的體積和成本；另一方面，由于SEPIC既能夠工作在升壓和降壓模式，又不會有極性相反的問題。對于這樣的應用，SEPIC轉(zhuǎn)換器無疑是一種理想的選擇。

SEPIC電源轉(zhuǎn)換電路作為一種開關模式的功率轉(zhuǎn)換器，控制方法采用脈寬調(diào)制技術（PWM），通過閉環(huán)負反饋來改善開環(huán)系統(tǒng)的響應，達到期望的電源調(diào)整率、負載調(diào)整率及動態(tài)響應等要求。由于環(huán)路設計受到輸入電源、輸出負載和溫度等因素的影響，工作過程中可能產(chǎn)生自激振蕩或者寄生振蕩，影響整個電源的工作，因此其設計對于SEPIC電源的穩(wěn)定性起著決定性的作用。在反饋環(huán)路控制的設計中， 由于涉及到多種電路原理， 需要大量復雜的數(shù)學推導。為簡化設計， 可采用波特圖的方法完成補償參數(shù)設計。

本文以分塊電路介紹環(huán)路參數(shù)的設計方法，利用波特圖，為設計者選擇元件參數(shù)提供依據(jù)， 通過實驗調(diào)試進行適當調(diào)整， 可達到最佳的控制效果。

1 電源環(huán)路控制理論

圖1為一個典型的SEPIC轉(zhuǎn)換器負反饋閉環(huán)調(diào)節(jié)系統(tǒng)。雖然脈寬調(diào)制電路包含誤差放大、PWM形成電路外還具備許多輔助功能， 但對于閉環(huán)穩(wěn)定性問題， 僅需考慮誤差放大器和PWM電路。對于輸出電壓Vo緩慢或直流變化，圖1的負反饋電路是穩(wěn)定的。但在環(huán)路內(nèi)， 對于動態(tài)變化的情況下，存在低電平噪聲電壓和含有豐富連續(xù)頻譜的瞬態(tài)電壓。這些分量通過輸出LC濾波器、誤差放大器和Vea到Vy的PWM調(diào)節(jié)器會引起增益改變和相移。噪聲干擾諧波分量中的任意一個分量，其增益和相移發(fā)生變化時都可能導致正反饋，并因此引起振蕩。因此，SEPIC電源轉(zhuǎn)換電路的環(huán)路補償是非常必要的。

SEPIC轉(zhuǎn)換器是一種四階的高度非線性系統(tǒng)，具有復雜的頻率特性，工作過程中極易產(chǎn)生自激振蕩或者寄生振蕩。本文根據(jù)經(jīng)典控制理論中的頻率穩(wěn)定判據(jù)，利用波特圖，判定SEPIC控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性并確定補償電路的參數(shù)。

2 SEPIC電路頻率特性

控制環(huán)路有兩部分組成，第一部分是電源級，由脈沖寬度調(diào)制器、輸出濾波器、電流感測電路和負載組成。第二部分是誤差放大器，這是將運放配置成一個反相放大器組態(tài)來實現(xiàn)的。控制環(huán)路補償?shù)囊环N通用方法是為電源級和誤差放大器創(chuàng)建增益和相位的波特圖。

SEPIC轉(zhuǎn)換器不含反饋回路時是一種系統(tǒng)，峰值電流模式SEPIC轉(zhuǎn)換器由直流增益、一個負載極點、ESR零點、一個右半平面零點和峰值電感電流的采樣產(chǎn)生的一個雙重極點組成。電流感測電路被當作一個直流增益，并包含在APS的表達式中。

負載極點會造成低頻處增益以-20dB/十倍頻程產(chǎn)生滑降。右半平面零點和采樣雙重極點的結(jié)合可維持斜率超出開關頻率之外。相位在低頻處趨向于-90°，但接著會增加至-180°，并會超出RHP零點和采樣雙重極點?？梢圆挥^察ESR零點的影響，因為其頻率一般位于開關頻率之上的幾個十倍頻程處。

采用誤差放大器實現(xiàn)補償，并提供高直流增益（為輸出精度）和高相位裕度（為控制環(huán)路穩(wěn)定性）。將誤差放大器作為帶輸入阻抗ZI和反饋阻抗ZF的反相運算放大器，能夠推導出補償模塊的傳遞函數(shù)GEA。

4 結(jié)論

本文分析了SEPIC電源系統(tǒng)的頻率特性，通過串聯(lián)反饋校正，實現(xiàn)了整個系統(tǒng)的穩(wěn)定收斂，最后通過測試實驗驗證了該方法的正確性。

【參考文獻】

[1]張占松，蔡宣三.開關電源的原理與設計[M].北京：電子工業(yè)出版社，2004：16-56.

[2][美]Abraham I. Pressm an，王志強，等，譯.開關電源設計[M].北京：電子工業(yè)出版社，2005.

[3]Vuthchhay Eng，Unnat Pinsopon， Chanin Bunlaksananusorn. Modeling of a SEPIC Converter Operating in Continuous Conduction Mode [J]. IEEE， 2009.

[4]楊汝.峰值電流控制模式中斜坡補償電路的設計[J].電力電子技術，2001，35（3）：35-38.

[5]葉強，來新泉.一種DC-DC全區(qū)間分段線性斜坡補償電路設計[J].半導體學報，2008.29（2）：281-287.

[責任編輯：王偉平]