兩級(jí)寬輸入DC／DC變換器設(shè)計(jì)與建模分析

摘要：寬輸入DC／DC變換器功率器件承受電壓應(yīng)力變化范圍大，增加了電路損耗，減小了使用壽命。兩級(jí)式變換器能夠減小電路中功率器件的電壓應(yīng)力，但控制較為復(fù)雜。此處研究了一種電流控制型雙Buck級(jí)聯(lián)形式的寬輸入開(kāi)關(guān)電源，僅對(duì)后級(jí)電路進(jìn)行閉環(huán)控制，簡(jiǎn)化了控制，有效減小了電路體積。建立了電路傳遞函數(shù)模型，討論了電路的穩(wěn)態(tài)特性及動(dòng)態(tài)特性，進(jìn)行了電路的穩(wěn)定性分析，并通過(guò)仿真與實(shí)驗(yàn)分析，證明了電路具有良好的動(dòng)態(tài)性能和輸出穩(wěn)定性，從而驗(yàn)證了設(shè)計(jì)方案的可行性。
關(guān)鍵詞：變換器；寬輸入；開(kāi)關(guān)電源；傳遞函數(shù)

1 引言
隨著開(kāi)關(guān)電源在各行業(yè)的廣泛應(yīng)用，對(duì)DC／DC變換器的需求已經(jīng)成為衡量經(jīng)濟(jì)發(fā)展的一個(gè)標(biāo)識(shí)。對(duì)于單級(jí)變換器而言，由于輸出電壓一定，在不同輸入電壓情況下電路中半導(dǎo)體器件兩端的脈寬波形具有很大差異。輸入電壓越高，開(kāi)關(guān)管導(dǎo)通時(shí)間越短，其在關(guān)斷期間承受的電壓越高，而電路中的整流二極管則會(huì)在開(kāi)關(guān)管導(dǎo)通期間承受高壓窄脈沖，流過(guò)開(kāi)關(guān)器件的電流平均值不變，有效值增加，導(dǎo)致開(kāi)關(guān)管、整流管、濾波電容及其他器件的溫度急劇上升，開(kāi)關(guān)管導(dǎo)通損耗大，變換器效率下降，甚至引起永久性損壞。而兩級(jí)式DC／DC變換器各級(jí)的輸入、輸出電壓之差都小于單級(jí)DC／DC變換器的輸入、輸出電壓之差，能夠減輕單級(jí)變換器在寬電壓范圍工作時(shí)所承受的負(fù)擔(dān)，大大增強(qiáng)了其對(duì)寬范圍電壓輸入的適應(yīng)能力。然而兩級(jí)式變換器體積大，控制較為復(fù)雜，且電路的穩(wěn)定性較差。
此處設(shè)計(jì)的兩級(jí)Buck寬輸入DC／DC變換器具有兩級(jí)式變換器的優(yōu)點(diǎn)，減小了輸出電流較大時(shí)功率器件的開(kāi)關(guān)損耗。采取了前級(jí)開(kāi)環(huán)、后級(jí)閉環(huán)的控制策略，并通過(guò)補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)提高了系統(tǒng)的穩(wěn)定性。變換器具有效率高、控制簡(jiǎn)單、系統(tǒng)穩(wěn)定性高、適應(yīng)輸入電壓范圍寬等優(yōu)點(diǎn)。

2 寬輸入變換器拓?fù)浣榻B
雙Buck級(jí)聯(lián)寬輸入DC／DC變換器主電路拓?fù)淙鐖D1所示，滿載時(shí)變換器工作在持續(xù)電流模式下，輸入電壓范圍為19～150 V，閉環(huán)工作時(shí)輸出電壓為30 V，最大輸出功率為500 W。

Uin，Ug，Uo為變換器的輸入電壓、前級(jí)Buck電路輸出電壓和變換器的輸出電壓，VS1和VS2，VD1和VD2，L1和L2為前、后級(jí)Buck電路的開(kāi)關(guān)功率管、續(xù)流二極管和電感，iL1和iL2為流過(guò)L1和L2的電流，Ro為等效負(fù)載電阻，Io為負(fù)載電流。Gvd1(s)，Gvd2(s)分別為前、后級(jí)電路的控制，輸出傳遞函數(shù)，Gm(s)為PWM傳遞函數(shù)，Gc(s)為電壓控制器傳遞函數(shù)，H(s)為電壓采樣網(wǎng)絡(luò)傳遞函數(shù)，D1為前級(jí)占空比。

電路在不同輸入電壓范圍下的工作情況如表1所示。在30～75 V電壓范圍內(nèi)，僅后級(jí)Buck電路工作，此時(shí)輸出功率Po=500 W，Uin=Ug，Uo=30 V，VS2占空比D2為0．4～1，開(kāi)關(guān)頻率fs2=100 kHz，最大輸出電流Iomax=Po／Uo=16．7A。