现代电力电子技术在高频二次开关电源中的使用

作者/陈松伯，张晋(湖南工业大学，湖南 株洲412000)

　　摘要：高频开关电源是一种能量转换器，其功率器材首要作业在开关状况而非扩大状况，全体具有频率高、体积小、功耗低的特色。其间，DC/DC改换可充任二次电源，将安稳的直流电压改换成可调的直流电压，在DC/DC改换中，Buck斩波电路是直流斩波电路中最常用、最简略的电路拓扑。因为在经典的Buck斩波电路中只需电子元器材的参数稍有改动，体系即会发生振动现象;别的，体系的穿越频率规划的过低，将会导致体系的呼应速度很慢，本文凭借PID补偿网络对其进行调理校对以减小体系的稳态差错，凭借MATLAB进行幅频域剖析，使新体系补偿网络能够很好的完成静态与动态安稳。并通过Saber仿真软件进行了整体闭环操控的仿真，完成对原体系的改善作业，并将终究规划好的开关电源什物渠道进行验证到达了预期调压减噪的效果。

　　要害词：直流斩波技能;开关电源;Buck电路;PID调理;saber仿真

　　0 导言

　　现阶段，电力电子技能得到迅速开展，电力电子设备与人们的日子也随之变得日益亲近，开关电源技能在此更是处于中心方位 ^[1-6]。较线性电源比较，其作业在开关状况而非扩大状况，能够有效地下降开关损耗问题;较相控电源比较不受功率因数影响，运用PWM技能来操控IGBT的导通时刻占空比来到达稳压效果^[7-8]。
DC/DC改换器包含输入电路、功率改换电路、输出电路、操控电路组成，既能够调理输出电压，还能够有效地按捺电网侧谐波电流噪声。

　　一般将直流斩波(DC/DC)改换器作为二次电源，对其功率密度要求甚高。为了处理传统开关电源的不安稳性问题，现以Buck电路为研讨目标，将其规划方案、拓扑结构进行优化，然后进步其安稳性和抗搅扰功用，从而进步开关电源的牢靠性。Buck降压改换器作为开关电源根本拓扑结构中最简略的一种，能对输入电压进行降压改换，即输出电压低于输入电压，因为其具有优胜的变压功用，因而能够用于需求直接降压的场合^[9]。本文将在已有的Buck电路进行参数改善，对滤波电感和滤波电容从头规划，并参加PID调理网络，通过saber软件对体系进行仿真验证，终究完成进步体系呼应速度和下降稳态差错的效果。

　　1 Buck电路器材的选型和规划

　　1.1 滤波电感的规划

　　虽然Buck降压拓扑电路结构可在不接连方式下作业，可是一些带Buck型输出滤波器的拓扑却会在不接连的方式下呈现毛病^[10]，因而，对此类输出滤波器的拓扑，电感的挑选应该保证体系输出最小规则电流(一般为额外电流的1/10)时，电感电流也要坚持接连，直流电流等于电感电流斜坡峰值一半时对应临界接连，主电路拓扑如图1所示。

　　图1中的电感可表示为

　　式中：V_dcn和I_on分别是额外输入电压和额外输出电流;dI为斜坡幅值V_dcn=12 V; V_o=3 V; I_o=3 A;T=10-5
s。将其代入式(2)求得L=40 mH。

　　1.2 滤波电容的规划

　　滤波电容的挑选有必要满意输出纹波的技能要求，实践所用电容并不有必要是抱负电容，它能够等效为电阻R和电感L的串联，频率在300 kHz~500
kHz规模以下时电感L值能够疏忽(当时规划为100 kHz)不计，这时输出纹波仅由电阻R和电容C的值决议：

　　2 Buck电路器材的选型和规划

　　2.1 原始体系的频率特性

　　(1)规划电压采样网络。在规划IGBT开关调理体系时，为了更好的消除稳态差错es，需在体系的低频段(尤其在直流频率点处)，保证开环传递函数的幅值远远大于1，即此刻的直流频率点体系为深度负反馈体系。关于深度负反馈体系，参阅电压Vref与输出电压Vo之比是电压采样网络的传递函数，即

　　(2)制作原始体系的Bode图。此刻电路作业于电流接连方式(CCM)，若疏忽电容等效串联电阻(ESR)的影响，对小信号模型进行剖析，可得到Buck斩波电路改换器的传递函数为：

　　其间，沟通小信号的电路模型参数核算如下：

　　其间，，沟通小信号模型下的 Buck改换器传递函数为：

　　3)制作体系开环传递函数的波特图。由体系的开环特性可得开环传递函数：

　　反向扩大器引起了一个-180°固定的相移，这样就构成了一个原始体系，其开环传递函数：

　　依据式(12)、(13)能够制作开环传递函数的幅频和相频特性，如图2所示。

　　由图2可知，当穿越频率为fc=1.99
kHz时，相位裕度为jM=6°。能够判别此刻的体系是安稳的，可是假如改动体系中的参数，此刻体系可能会动摇而变得不安稳，别的，穿越频率(为1.99
kHz)太低时，体系的呼应速度会变得很慢。总归，只运用一个高增益的反向扩大器作为操控器，不能使目标的操控到达稳、准、快的要求。因而，该经典电路需进一步改善。

　　2.2 补偿网络的规划

　　将图2中的穿越频率fc=1.99
kHz，相角裕度6°进行改善，在远远小于穿越频率fc处，给予PD补偿网络参加零点fz，此刻的开环传函超前位移就会变得满足大，以保证原体系有满足的相位裕度。可是，添加零点fz又带来了新的问题：例如，假如高频段增益下降，会使体系的原有斜率从-40
dB/dec上升到-20
dB/dec;可能使相位裕度到达90°,过大的相位裕度会对其他动态功用晦气。此刻可在体系大于零点频率邻近再引进一个极点，即运用PD补偿网络来处理以上发生的相角裕度问题。

　　PD补偿网络的电路拓扑结构如图3所示。

　　PD补偿网络的传递函数为：

　　为了进步体系的穿越频率f_c，需求将参加补偿网络后的开环传递函数穿越频率f_c变成原开关频率f_s的1/20，即：。

　　在原体系5 kHz处，幅频特性的幅值为：

　　通过以上调理使体系在fc=5 kHz穿越频率处，。设此刻的相位裕量，则PD补偿网络的零、极点频率核算公式为：

　　依据式(19)中的传递函数，运用MATLAB绘出体系的超前补偿网络传递函数的波特图如图4所示。

　　由图4能够看出，当穿越频率为fc=5.1 kHz，相角裕度为时，穿越频率契合约好的频率规模内(2.2 kHz~8.3
kHz)，此刻开环传递函数的相位裕度。此刻能够发现，只需体系中的电子器材的值稍加改动，穿越频率会稍稍违背5.1 kHz，这时对相位裕度影响较小。因为在0
kHz~1 kHz规模内，幅频特性曲线是陡峭的，因而，体系稳态差错大。据此，能够通过在PID补偿网络的参加倒置零点处理以上问题。

　　2.3 PID补偿网络的规划

　　改善的PID补偿网络的电路模型如图5所示，依据其拓扑电路可推出传递函数为：

　　在这里，引进倒置零点的意图是改善开环传递函数的低频特性，可是并不期望因而改动开环传递函数的中高频段特性。假定挑选倒置零点的频率fl为穿越频率fc的1/10，则有

　　则。

　　改善后的PID补偿网络的传递函数为：

　　依据PID 补偿网络的传递函数能够得到调整后的波特图，如图6所示。

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

　　由图6中可知，当fc=5.16 kHz时,相位裕度为，在高频段时，曲线在-40 dB/dec时的斜率下降，在此规模内可有效地按捺高频搅扰。

　　3 总电路图的仿真与试验

　　Buck电路的开关管选用P沟道MOSFET，开关管的驱动选用SG3525芯片，SG3525
是一种功用优秀、功用完全和通用性强的单片集成PWM操控芯片，它简略牢靠及运用方便灵敏，输出驱动为推拉输出方式，驱动能力强;其内部含有的欠压确定电路、软启动操控电路等，具有过流维护、频率可调功用，一起能约束最大占空比，避免溢出。

　　运用Saber仿真软件，对体系进行仿真，能够得到体系的输出呼应曲线，通过仿真曲线能够得出，输出的电压平均值为3.34 V，纹波峰峰值为0.108
V，满意规划要求。仿真波形如图7所示。

　　由图7能够看出，实践仿真的电压曲线与理论上的电压值还有一些差错存在，其间，曲线的超调仍是稍大，一起体系的稳态差错依然存在，给体系的安稳性带来必定的安全隐患。为此，需求对以上体系参数进行从头设置，以保证稳态差错尽可能降为零。

　　对PID补偿网络的参数进行整定后，使得R_f=10 kW，C_f=1 nF，R_ip=510 W，C_i=100
nF。以此参数进行仿真并与原仿真成果进行比较，此刻体系呼应如图8所示。

　　从图8中曲线中能够显着的看出，通过调整后的体系电压改动曲线较批改之前的电压曲线比较，在调整时刻不变的前提下，使体系的超调量大大减小，并且保证了体系的稳态差错为零，大大提升了体系的抗扰功用。

　　4 展望

　　DC/DC斩波技能的高速开展，使得开关电源技能趋向高功用化、智能化、集成化、模块化的方向开展。并且在此基础上，逐步推出了新的DC/DC改换器技能，例如VRM技能，要求其负载电流的呼应速度更快速，在体积满足小的前提下，保证电力电子器材的高功率。又如，为了应对开关电源趋于高频化开展后形成的开关器材损耗大增的问题，将软开关技能使用到了DC/DC改换器中，以到达削减开关损耗、进步功率的功用。

　　跟着新式电子器材和拓扑结构的呈现，开关电源将完成高频化、模块化、绿色化和智能化的集成，并且将使用到更广泛的范畴。

　　5 定论

　　跟着大规模集成电路的高速开展，要求开关电源模块趋于小型化，在其规划过程中需不断进步开关频率，开发和规划新式的电路拓扑结构，本文提出的PID调停网络方式下的Buck直流斩波电路可替代一般变阻器完成调压和节能的成效。开关电源的输出电压假如超出正常规模，会对通讯设备形成损坏，所以在其输出端规划输出电压维护，一旦输出电压超越给定值，开关电源会将输出闭锁，到达过压维护效果。在电力电子技能的使用及各种电源体系中，开关电源技能均处于中心方位。以传统的大型电路为例，若选用高频开关电源技能会下降整套体系的体积，并且可极大进步电源运用功率、节约资料、下降成本。就现在来看，开关电源必将在未来的电力电子技能使用中起到要害的效果。

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本文来源于科技期刊《电子产品世界》2019年第3期第69页，欢迎您写论文时引证，并注明出处