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目前，正激變流器在中、大功率場(chǎng)合得到廣泛的應用，但單管正激變換器的開(kāi)關(guān)管承受兩倍輸入電壓應力，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)管的電壓應力等于輸入電壓，關(guān)斷時(shí)也不會(huì )出現漏感尖峰，加上結構簡(jiǎn)單、可靠性高，在高輸入電壓的中、大功率場(chǎng)合得到廣泛的應用。 在開(kāi)關(guān)電源的設計過(guò)程中，控制環(huán)路設計的優(yōu)劣關(guān)系到系統的穩定與否。因此優(yōu)良的控制環(huán)路，對開(kāi)關(guān)電源系統是至關(guān)重要的。對于PWM變換器的控制環(huán)路，傳統的方法使用狀態(tài)空間平均法，求出小信號模型，來(lái)設計控制環(huán)路。此方法計算量大，效率低，不利于工程應用。 高效的方法是用仿真軟件得出電路開(kāi)環(huán)BODE圖來(lái)設計控制環(huán)路。市面的仿真軟件非常多，功能也很強大，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軟件建模復雜，其補償器為傳遞函數或狀態(tài)方程，需利用電網(wǎng)絡(luò )理論轉化為具體的電路，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，借助其強大的仿真功能縮短電源產(chǎn)品的上市時(shí)間。目前，用SABER軟件設計控制環(huán)路尚不多見(jiàn)，基于此，提出用SABER仿真設計雙管正激參數及控制環(huán)路。 1 電路結構 雙管正激拓撲結構如圖1所示，工作原理為：VT1、VT2同時(shí)導通，同時(shí)關(guān)斷；VT1與VT2導通時(shí)，電源經(jīng)高頻變壓器T，快恢復二極管VD3向負載輸出能量，經(jīng)L給C充電；VT1與VT2關(guān)斷時(shí)，輸出電流由快恢復二極管VD4續流，同時(shí)變壓器原邊繞組的勵磁電流經(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，電壓應力為單管的一半，不存在漏感尖峰，變壓器無(wú)需磁通復位繞組，適用于較高輸入電壓的中、大功率等級場(chǎng)合。 2 控制環(huán)路的設計方法 系統穩定的條件：系統回路開(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)路的設計步驟： (1)根據應用要求設計主電路。 (2)由SABER仿真器得出主電路的BODE圖。 (3)根據實(shí)際要求和限制條件確定剪切頻率ωc，對電源產(chǎn)品，剪切頻率通常為開(kāi)關(guān)頻率的1／4或者1／5。 (4)根據系統穩態(tài)精度的要求及剪切頻率決定補償放大器的類(lèi)型和各頻率點(diǎn)。使低頻段增益高，一般電源產(chǎn)品的低頻段設計成I型系統，以保證穩態(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得出補償后環(huán)路的開(kāi)環(huán)頻響曲線(xiàn)，驗證系統的穩定性。 3 主電路參數設置 由于主電路輸出濾波器參數關(guān)系到控制環(huán)路的設置，補償器應根據輸出濾波參數進(jìn)行調整。本文以一臺250W電源實(shí)例說(shuō)明控制環(huán)路的設計。 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 輸出濾波器按照要求的紋波電流與紋波電壓值來(lái)設計，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，當負載電流小于0．5A時(shí)，進(jìn)入電流斷續模式。 為防止變換器進(jìn)入斷續模式，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，根據文獻，此類(lèi)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(chǎng)家或測試得到電容的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，但對環(huán)路設計的影響不大；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，增加補償器的設計難度。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： 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，因此需要補償。另外25kHz(1／4開(kāi)關(guān)頻率)處的幅值為－35．5dB。 5 根據開(kāi)環(huán)BODE圖設計補償器 雙管正激補償器采用2型誤差放大器電路。如圖7所示。 其傳遞函數為： 一個(gè)零點(diǎn)fz=1／2πR2C1，一個(gè)極點(diǎn)fp=1／2πR2C2；設計時(shí)，將剪切頻率設為1／4開(kāi)關(guān)頻率；零點(diǎn)頻率設為1／4濾波器諧振頻率，增加中頻段相位裕度；極點(diǎn)頻率設為濾波電容自身容阻頻率，增加高頻段的衰減。R2／R1設為1／4開(kāi)關(guān)頻率處的負增益；RS1，RS2按照采樣網(wǎng)絡(luò )設計，因此： 計算結果，選用國標系列值： 使用SABER得出補償后的開(kāi)環(huán)BODE圖如圖8所示，注意在SABER進(jìn)行小信號分析前，需微調占空比參考電壓，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)，系統已校正為I型，剪切頻率為25kHz，幅值斜率為-20dB／dec，相位裕度遠遠大于45°。 用SABER進(jìn)行時(shí)域分析，觀(guān)察輸入電壓與負載擾動(dòng)時(shí)的系統性能，見(jiàn)圖9和圖10。 6 結束語(yǔ) SABER軟件是當今世界最先進(jìn)的仿真軟件，隨Analogy公司的大力推廣，SABER軟件在電源領(lǐng)域的應用會(huì )越來(lái)越廣泛，通過(guò)SABER軟件的輔助設計，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，穩定性和穩態(tài)精度。 |
