電源技術文章穩流型開關電源的控制系統

所屬分類：建筑論文閱讀次時間：2016-10-29 14:26

本文摘要：開關電源廣泛應用于工業自動化控制、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展，其發展也將趨向于高頻、高可靠、低功耗、抗干擾和模塊化。本文淺談了穩流型開關電源的控制系統，對其電路組成以及數學模型進行了分析和研究，雖然穩流型開關電

　　開關電源廣泛應用于工業自動化控制、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展，其發展也將趨向于高頻、高可靠、低功耗、抗干擾和模塊化。本文淺談了穩流型開關電源的控制系統，對其電路組成以及數學模型進行了分析和研究，雖然穩流型開關電源應用相對沒有穩壓型開關電源廣泛，但伴隨著更多領域中的需求，其作用也是不容忽視的，其優點也將更廣泛地得到認識與應用。

　　《通信電源技術》(TelecomPowerTechnologies)創辦于1984年，由信息產業部科技司主管，中國普天集團公司責辦，武漢普天通信設備有限公司主辦。是國家新聞出版署核準出版的全國通信電源專業領域里的唯一正式期刊，并榮獲信息產業部優秀科技期刊稱號。逢單月25日出版，國內統一刊號：CN42-1380/TN，國際標準刊號：ISSN1009-3664，郵發代號：38-371，國內外公開發行，影響因子：0.226，被引次數：3292。

　　摘　要：在對穩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PWM DC/DC 變換器小信號模型，對穩流型開關電源的控制系統進行研究，對穩流型開關電源閉環控制系統的電路組成以及數學模型進行分析和研究。并利用電子仿真軟件對該系統進行了仿真分析，結果表明采用系統小信號模型設計形成的穩流型開關電源控制系統完全可行。

　　關鍵詞：穩流; 開關電源; 控制系統; PSpice

　　在實際的應用過程中，很多的電氣設備都對電源提出了穩流的要求。而在進行穩流的過程中，傳統的穩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，由于傳統穩流電源一般都采用單環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電路設計一個有效的補償網絡，選用UCC3895作為主控制芯片，最終實現雙閉環穩流型開關電源控制系統。

　　1 穩流型開關電源的基本原理

　　采用的雙閉環穩流型開關電源的系統整體示意圖如下圖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。該系統當中的副邊輸出整流結構沒有采用傳統的全橋整流，而是采用全波整流，這能很好的適應低壓大電流的情況。

　　該雙閉環控制電路的設計思想是：將電流反饋環作為電路的外環，而將電壓反饋環作為電路的內環，之后利用之將輸出電流轉化成為電壓，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進行對比，將輸出的信號送到芯片內部的比較器，將之與三角波進行對比，最終得到以方波形式表現的占空比變化，實現對全橋變換器的控制。

　　2 全橋移項PWM DC/DC 變換器閉環小信號系統模型

　　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變換器小信號閉環系統的結構示意圖如下圖2所示。

　　3 穩流源控制系統設計

　　3.1 電流源型閉環小信號控制系統調節元件參數設計

　　由于電流源型閉環小信號控制系統屬于二階系統，并且其輸出的濾波參數LC一般較大，其頻率參數則較低。這時，系統在頻率中段以-40 dB/dec的斜率穿過零分貝線。假若采用的是PI調節元件，那么可以通過減少穩態誤差來實現;若想增加系統的響應速度和靈敏度，則可以增加比例系數來實現。但是，這樣將使得系統不夠穩定，導致系統的控制能力下降。為了確保系統達到性能基本穩定、動態性能達到要求的目的，在保證控制系統幅頻特性的基礎上，利用PID調節元件來實現這些要求。這里假設PID調節元件的傳遞函數是：

　　其中：、、分別表示比例系、積分校正以及微分校正中用到的時間常數。

　　中包含有兩個零點需要確定，根據開環的波德圖，其中的一個零點應該設置在濾波過程中的諧振角頻率處，此時 ;而另外一個零點應該設置在上一個零點的1/3角頻率處，也就是處。此時，，而

　　而比例系數K則可以根據波德圖進行對應的調整，確保系統在穩定的情況下盡量增加其整體相應速度。

　　3.2 穩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，能夠自適應死區的功能和軟啟動/關斷的基本能力，能夠較好的實現對全橋主電路的軟開關工作控制。此處將該芯片作為穩流電源的控制器，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，可以完全實現對過流、過壓現象的保護，其控制電路圖如下圖3所示。

　　在圖3中，自適應死區的延時功能將和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，為開路，這時，，而ADS針腳的電壓為，兩橋臂的極限死區時間分別為：，。

　　在圖3中，表示負載電流檢測電路的輸出電壓，而、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，這樣可以滿足工業現場對于電流源的輸出特性的要求，且實現對過流與過壓的保護作用。

　　4 穩流型開關電源控制系統仿真

　　這里采用PSpice電子仿真軟件對上述設計的控制系統進行仿真。仿真過程中將擾動模擬為：t=2.5ms時輸出電壓從500V下降至400 V，而當t=4ms時，系統的負載電阻R從40 Ω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分別表示調節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則表示以及輸出電流的波形。

　　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定的工作。當負載突然變化時，系統可能出現不穩定的情況，導致調節元件出現輸出極值的問題。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節，能夠使得系統從非線性控制狀態進入到線性的控制狀態，基本實現對電源的技術要求。