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目前，正激變流器在中、大功率場(chǎng)合得到廣泛的應(yīng)用，但單管正激變換器的開(kāi)關(guān)管承受兩倍輸入電壓應(yīng)力，不能用在較高輸入場(chǎng)合。雙管正激變換器解決了這個(gè)問(wèn)題，其開(kāi)關(guān)管的電壓應(yīng)力等于輸入電壓，關(guān)斷時(shí)也不會(huì)出現(xiàn)漏感尖峰，加上結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、可靠性高，在高輸入電壓的中、大功率場(chǎng)合得到廣泛的應(yīng)用。 在開(kāi)關(guān)電源的設(shè)計(jì)過(guò)程中，控制環(huán)路設(shè)計(jì)的優(yōu)劣關(guān)系到系統(tǒng)的穩(wěn)定與否。因此優(yōu)良的控制環(huán)路，對(duì)開(kāi)關(guān)電源系統(tǒng)是至關(guān)重要的。對(duì)于PWM變換器的控制環(huán)路，傳統(tǒng)的方法使用狀態(tài)空間平均法，求出小信號(hào)模型，來(lái)設(shè)計(jì)控制環(huán)路。此方法計(jì)算量大，效率低，不利于工程應(yīng)用。 高效的方法是用仿真軟件得出電路開(kāi)環(huán)BODE圖來(lái)設(shè)計(jì)控制環(huán)路。市面的仿真軟件非常多，功能也很強(qiáng)大，如Matlab、Pspice等，然而Pspice軟件的收斂算法不好，帶來(lái)了非常多的不便；Matlab軟件建模復(fù)雜，其補(bǔ)償器為傳遞函數(shù)或狀態(tài)方程，需利用電網(wǎng)絡(luò)理論轉(zhuǎn)化為具體的電路，諸多不便。 SABER與其他仿真軟件相比，具有更豐富的元件庫(kù)和更精確的仿真描述能力，真實(shí)性更好。特別是在電源領(lǐng)域的先天優(yōu)勢(shì)，借助其強(qiáng)大的仿真功能縮短電源產(chǎn)品的上市時(shí)間。目前，用SABER軟件設(shè)計(jì)控制環(huán)路尚不多見(jiàn)，基于此，提出用SABER仿真設(shè)計(jì)雙管正激參數(shù)及控制環(huán)路。 1 電路結(jié)構(gòu) 雙管正激拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖1所示，工作原理為：VT1、VT2同時(shí)導(dǎo)通，同時(shí)關(guān)斷；VT1與VT2導(dǎo)通時(shí)，電源經(jīng)高頻變壓器T，快恢復(fù)二極管VD3向負(fù)載輸出能量，經(jīng)L給C充電；VT1與VT2關(guān)斷時(shí)，輸出電流由快恢復(fù)二極管VD4續(xù)流，同時(shí)變壓器原邊繞組的勵(lì)磁電流經(jīng)VD1－UiN-VD2向電源反饋能量。由于VD1與VD2的箝位，VT1與VT2的開(kāi)關(guān)應(yīng)力等于電源電壓。與單管正激電路相比，多用一個(gè)開(kāi)關(guān)管，電壓應(yīng)力為單管的一半，不存在漏感尖峰，變壓器無(wú)需磁通復(fù)位繞組，適用于較高輸入電壓的中、大功率等級(jí)場(chǎng)合。 2 控制環(huán)路的設(shè)計(jì)方法 系統(tǒng)穩(wěn)定的條件：系統(tǒng)回路開(kāi)環(huán)BODE圖，在剪切頻率處幅值斜率為-20dB／dec，且至少有45°的相位裕度。 控制環(huán)路的設(shè)計(jì)步驟： (1)根據(jù)應(yīng)用要求設(shè)計(jì)主電路。 (2)由SABER仿真器得出主電路的BODE圖。 (3)根據(jù)實(shí)際要求和限制條件確定剪切頻率ωc，對(duì)電源產(chǎn)品，剪切頻率通常為開(kāi)關(guān)頻率的1／4或者1／5。 (4)根據(jù)系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)精度的要求及剪切頻率決定補(bǔ)償放大器的類型和各頻率點(diǎn)。使低頻段增益高，一般電源產(chǎn)品的低頻段設(shè)計(jì)成I型系統(tǒng)，以保證穩(wěn)態(tài)精度；中頻段帶寬處的斜率為-20dB／dec，且有足夠的相位裕度(即y＞45°)；高頻段增益衰減快，減少高頻干擾；用SABER得出補(bǔ)償后環(huán)路的開(kāi)環(huán)頻響曲線，驗(yàn)證系統(tǒng)的穩(wěn)定性。 3 主電路參數(shù)設(shè)置 由于主電路輸出濾波器參數(shù)關(guān)系到控制環(huán)路的設(shè)置，補(bǔ)償器應(yīng)根據(jù)輸出濾波參數(shù)進(jìn)行調(diào)整。本文以一臺(tái)250W電源實(shí)例說(shuō)明控制環(huán)路的設(shè)計(jì)。 1)主要技術(shù)要求 輸入：AC220V(DC=265V(220～310V)) 輸出：48V0．5～5A； 波紋電壓：0．1V；波紋電流：1A； 效率：≥0．85；開(kāi)關(guān)頻率：100kHz； 變壓器原副邊比n=2；Uout=48．85V(二極管)；占空比： 2)輸出濾波參數(shù) 輸出濾波器按照要求的紋波電流與紋波電壓值來(lái)設(shè)計(jì)，紋波電流決定電感值，紋波電流與紋波電壓共同決定電容值。 (1)濾波電感 流經(jīng)濾波電感電流波形如圖2所示，紋波電流峰峰值取決于允許的最小電流值，當(dāng)負(fù)載電流小于0．5A時(shí)，進(jìn)入電流斷續(xù)模式。 為防止變換器進(jìn)入斷續(xù)模式，在Toff期間，流經(jīng)L的電流不能降到零。 （2）濾波電容 濾波電容的容量分以下兩種情況討論： ①采用普通的鋁電解電容，根據(jù)文獻(xiàn)，此類電容在開(kāi)關(guān)頻率低于500kHz，且RoCo大于開(kāi)關(guān)管的關(guān)斷和導(dǎo)通時(shí)間的一半時(shí)，輸出紋波僅由ESR(Ro)決定。 此方法隨技術(shù)的進(jìn)步變得不合實(shí)際，最好從廠家或測(cè)試得到電容的ESR值。 ②濾波電容采用零ESR或低ESR電容，自身阻容形成的零點(diǎn)(1／2πRest×C)較高，但對(duì)環(huán)路設(shè)計(jì)的影響不大；若低ESR值的電容采用大容量，其自身阻容形成的零點(diǎn)使得在帶寬附近的高頻衰減不夠，可能引起振蕩，增加補(bǔ)償器的設(shè)計(jì)難度。如圖3、圖4所示。 考慮電容的發(fā)熱影響壽命，取22μF。 電容的ESR值的最大值為 ESR(max)=△U/△I=0．1／l=0．1Ω ESR超過(guò)0．1Ω，紋波電壓會(huì)增加。 4 使用SABER對(duì)開(kāi)環(huán)仿真 在SABER中建立平均模式雙管正激的模型，如圖5所示。 下表為圖5模型使用的主要模塊及參數(shù)： 開(kāi)環(huán)BODE圖如圖6所示，其剪切頻率處的相角為-160°，相位裕度為20°，又剪切頻率處的幅值斜率為－40dB／dec，因此需要補(bǔ)償。另外25kHz(1／4開(kāi)關(guān)頻率)處的幅值為－35．5dB。 5 根據(jù)開(kāi)環(huán)BODE圖設(shè)計(jì)補(bǔ)償器 雙管正激補(bǔ)償器采用2型誤差放大器電路。如圖7所示。 其傳遞函數(shù)為： 一個(gè)零點(diǎn)fz=1／2πR2C1，一個(gè)極點(diǎn)fp=1／2πR2C2；設(shè)計(jì)時(shí)，將剪切頻率設(shè)為1／4開(kāi)關(guān)頻率；零點(diǎn)頻率設(shè)為1／4濾波器諧振頻率，增加中頻段相位裕度；極點(diǎn)頻率設(shè)為濾波電容自身容阻頻率，增加高頻段的衰減。R2／R1設(shè)為1／4開(kāi)關(guān)頻率處的負(fù)增益；RS1，RS2按照采樣網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)，因此： 計(jì)算結(jié)果，選用國(guó)標(biāo)系列值： 使用SABER得出補(bǔ)償后的開(kāi)環(huán)BODE圖如圖8所示，注意在SABER進(jìn)行小信號(hào)分析前，需微調(diào)占空比參考電壓，使比較器反相輸入端靜態(tài)工作點(diǎn)在5V，否則可能飽和。 可見(jiàn)，系統(tǒng)已校正為I型，剪切頻率為25kHz，幅值斜率為-20dB／dec，相位裕度遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于45°。 用SABER進(jìn)行時(shí)域分析，觀察輸入電壓與負(fù)載擾動(dòng)時(shí)的系統(tǒng)性能，見(jiàn)圖9和圖10。 6 結(jié)束語(yǔ) SABER軟件是當(dāng)今世界最先進(jìn)的仿真軟件，隨Analogy公司的大力推廣，SABER軟件在電源領(lǐng)域的應(yīng)用會(huì)越來(lái)越廣泛，通過(guò)SABER軟件的輔助設(shè)計(jì)，縮短了電源產(chǎn)品的上市時(shí)間，提高了產(chǎn)品的控制性能的快速性，穩(wěn)定性和穩(wěn)態(tài)精度。 |
