，

(廣西大學(xué)電氣工程學(xué)院，廣西 南寧 530004)

1 引言

傳統(tǒng)的雙管正激變換器開關(guān)管電壓應(yīng)力低,內(nèi)在抗橋臂直通能力強(qiáng),可靠性高,已廣泛應(yīng)用于船舶供電系統(tǒng)、通信電源等中、大功率場合[1-3]。在實(shí)際應(yīng)用中傳統(tǒng)雙管正激變換器一般采用電壓型PI控制策略，其是基于目標(biāo)的反饋誤差控制，該控制策略設(shè)計(jì)簡單。

本文以SG3525為核心控制器，在其外圍添加適當(dāng)?shù)碾娮桦娙輼?gòu)成經(jīng)典的三類補(bǔ)償器來實(shí)時(shí)的對(duì)輸出電壓進(jìn)行校正，以期當(dāng)輸入電壓為AC80V-160V時(shí)，輸出電壓可以穩(wěn)定在DC50V以便給負(fù)載供電。

2 設(shè)計(jì)總體方案

圖1為該控制系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)框圖。對(duì)輸出電壓進(jìn)行采樣調(diào)理之后送入SG3525的反相輸入端，與所設(shè)定的參考輸出電壓值進(jìn)行相減，將誤差送入控制器，控制器輸出與SG3525的固有三角載波進(jìn)行比較后產(chǎn)生相應(yīng)的PWM波，經(jīng)過TLP250與隔離變壓器隔離驅(qū)動(dòng)雙管正激變換器的開關(guān)管，從而使輸出電壓穩(wěn)定在預(yù)設(shè)的50V。

圖1 系統(tǒng)總體框圖

3 硬件電路設(shè)計(jì)

3.1 主電路設(shè)計(jì)

3.1.1 高頻變壓器匝比選擇

雙管正激變換器的輸入輸出電壓關(guān)系如下：

(1)

雙管正激變換器的工作占空比必須小于50%。(即D<0.5)。

圖2 雙管正激變換器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

(2)

由此可得：

(3)

因此取n=1。

3.1.2 電感的選擇

電感的選擇應(yīng)保證直流輸出電流為最小規(guī)定電流時(shí)，電感電流依然保持連續(xù)。通常約為額定負(fù)載電流的10%，即0.1I0，其中I0為額定輸出電流。

為了保證電感工作在連續(xù)模式，要求在輸入電壓最大(即占空比最小)時(shí)，電感放電時(shí)間最長的情況下電感電流不過零。

(4)

電感上電流紋波為ΔiL=20%I0=0.2×5=1

(5)

(6)

為保留一定余量，本文取L0=1000μH=1mH。

3.1.3 輸出電容的選擇

輸出電容選用1000μF/100V的電解電容，同時(shí)在輸出端并聯(lián)0.1μF/6kV的CBB電容以濾除輸出端的高頻電壓紋波。

3.2 隔離驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)

雙管正激變換器的下橋臂的開關(guān)管的源極與主電路共地，但是上橋臂的開關(guān)管的源極電位與主電路地的電位不同，因此其兩只開關(guān)管的驅(qū)動(dòng)需要使用脈沖變壓器隔離產(chǎn)生懸浮地，這樣才可以使兩只開關(guān)管可靠地開通與關(guān)斷。驅(qū)動(dòng)電路如圖3所示。

圖3 脈沖變壓器型隔離驅(qū)動(dòng)電路

4 控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

4.1 雙管正激變換器狀態(tài)空間模型

在圖2中，令Vin=E；iin=iL；v0=uC；n=EP/Es。采用狀態(tài)空間平均法對(duì)上述變換器拓?fù)溥M(jìn)行建模，所得模型為：

(7)

式中：iL、uC分別為電感電流與輸出電容電壓的開關(guān)周期平均值；E為交流電整流后的輸入瞬時(shí)電壓值；u為MOSFET開關(guān)管Q的占空比。

由小信號(hào)建模得占空比至輸出電壓的傳遞函數(shù)為：

(8)

本文取：v01=200V,n=1,R=10Ω(滿載),L0=1mH,C0=220μF。

4.2 雙管正激變換器的控制器設(shè)計(jì)

圖4 電路控制結(jié)構(gòu)框圖

未加補(bǔ)償器時(shí)電路的開環(huán)傳遞函數(shù)為：

G0(s)=H(s)·Gm(s)·Gv0d(s)

(9)

做出波特圖如圖5所示。

圖5 原始回路增益函數(shù)的波特圖

由于相位裕度僅為4.5283°，因而需要設(shè)計(jì)調(diào)節(jié)器加以補(bǔ)償。

本設(shè)計(jì)采用如下圖所示的三型補(bǔ)償器對(duì)原始回路增益函數(shù)進(jìn)行補(bǔ)償[4-5]，以使得相位裕度γ≥45°，幅值裕度GM≤-10dB。該補(bǔ)償器的傳遞函數(shù)為：

(10)

圖6 調(diào)節(jié)器電路圖

圖7 調(diào)節(jié)器幅頻特性圖

①設(shè)加入補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)Gc(s)后，回路函數(shù)G(s)H(s)=Gc(s)G0(s)的剪切頻率為：

(11)

為了得到-20dB/dec的斜率，補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)Gc(s)在剪切頻率點(diǎn)處必須提供+20dB/dec的斜率。

②將補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)Gc(s)的兩個(gè)零點(diǎn)頻率設(shè)計(jì)為原始回路函數(shù)G0(s)的兩個(gè)相近極點(diǎn)頻率的1/2，即：

(12)

③由于G0(s)沒有零點(diǎn)，則可以將Gc(s)的兩個(gè)極點(diǎn)設(shè)定為：

fp2=fp3=fs=60kHz

(13)

④原始回路函數(shù)G0(s)在fg=12kHz處的增益為：

(14)

補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)Gc(s)在剪切頻率fg=12kHz處的增益為：

(15)

⑤求在零點(diǎn)fZ1與fZ2之間的增益為：

(16)

極點(diǎn)fP2處的增益為：

(17)

⑥最后求出補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)的電阻與電容值

首先，假設(shè)R2=10kΩ，可求得其他元器件參數(shù)

(18)

(19)

(20)

(21)

(22)

因此補(bǔ)償器的傳遞函數(shù)為：

Gc(s)=

(23)

加入補(bǔ)償器后的波特圖如圖8所示。

圖8 校正前后系統(tǒng)波特圖

5 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

圖9 負(fù)載電阻由15Ω突變到8Ω時(shí)輸出電壓與輸出電流波

圖10 負(fù)載電阻由15Ω突變到8Ω時(shí)輸出電壓與輸出電流波

圖11 負(fù)載連續(xù)跳變時(shí)輸出電壓與電流波形

圖9為該系統(tǒng)的負(fù)載電阻由15Ω突變到8Ω時(shí)輸出電壓與輸出電流波形，圖10為該系統(tǒng)的負(fù)載電阻由8Ω突變到15Ω時(shí)輸出電壓與輸出電流波形，圖11為系統(tǒng)負(fù)載電阻在8Ω與15Ω之間連續(xù)跳變時(shí)的實(shí)驗(yàn)波形，可以看出無論是突增負(fù)載還是突減負(fù)載，系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)速度較快，只是輸出電壓與電流的紋波略有變換。

6 結(jié)論

本文詳細(xì)介紹了基于SG3525的雙管正激變換器的恒壓輸出控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)以及硬件電路設(shè)計(jì)，通過搭建了一臺(tái)250W的實(shí)驗(yàn)樣機(jī)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，結(jié)果表明實(shí)驗(yàn)樣機(jī)可以穩(wěn)定的輸出50V直流電壓，并且在負(fù)載突變時(shí)系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)速度較快，具有較強(qiáng)的魯棒性。