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高頻開關電源控制方案設計

作者: 時間:2012-01-07 來源:網(wǎng)絡 收藏

1電壓電流雙環(huán)

本文引用地址:http://m.butianyuan.cn/article/231342.htm

為了實現(xiàn)輸出電壓電流均可控,通常采用電流模式,常用電流模式有峰值電流控制法和平均電流控制法。但是,峰值電流控制有以下幾個缺點[1]:

①占空比大于50%的開環(huán)不穩(wěn)定性,存在難以校正的峰值電流與平均電流的誤差;

②閉環(huán)響應不如平均電流模式控制理想;

③容易發(fā)生次諧波振蕩,即使占空比小于50%,也有發(fā)生次諧波振蕩的可能性。因而需要斜坡補償;

④對噪聲敏感,抗噪聲性差。因為電感處于連續(xù)儲能電流狀態(tài),與控制電壓編程決定的電流電平相比較,開關器件的電流信號上斜坡通常較小,電流信號上的較小噪聲很容易使開關器件改變關斷時刻,使系統(tǒng)進入次諧波振蕩。

2平均電流模式控制PWM

平均電流模式采用雙閉環(huán)控制,其內環(huán)控制輸出濾波電感電流,外環(huán)控制輸出電壓,提高了系統(tǒng)響應速度。圖1為平均電流模式控制PWM的原理圖。

圖1平均電流模式控制原理圖

將誤差電壓信號Ue接至電流誤差信號放大器的同相端,作為輸出電感電流反饋的控制信號Uip。將帶有鋸齒紋波狀分量的輸出電感電流反饋信號Ui,接至電流誤差信號放大器的反相端,跟蹤電流控制信號Uip。Ui與Uip的差值經過電流誤差放大器放大后,得到平均電流跟蹤誤差信號UC。再由UC與三角鋸齒波信號通過比較器比較得到PWM控制信號。UC的波形與電流波形Ui反相,所以,是由UC的下斜坡(對應于開關器件導通時期)與三角波的上斜坡比較產生控制信號。顯然,這就無形中增加了一定的斜坡補償。但為了穩(wěn)定工作,要求電感電流的下降坡度不能大于晶振的坡度。

平均電流模式控制的優(yōu)點是:

①電感電流能夠高度精確地跟蹤電流控制信號;

②不需要斜坡補償;

③調試好的電路抗噪聲性能優(yōu)越;

④適合于任何電路拓撲對輸入或輸出電流的控制;

⑤易于實現(xiàn)均流。

3小信號分析及電流、電壓環(huán)PI調節(jié)器參數(shù)

這種控制方式有恒壓和恒流兩種工作方式。當D1導通時,電路工作在恒流模式,此時,電壓環(huán)不起作用,電路相當于單環(huán)控制。當D1截止時,電路工作在恒壓模式下,電路采用串級雙環(huán)控制,電流環(huán)作為電壓環(huán)的內環(huán),電壓環(huán)PI調節(jié)器的輸出Ue作為電流環(huán)PI調節(jié)器的給定。其電路方框圖如圖2所示。在參數(shù)時,先電流環(huán)的調節(jié)器,獲得穩(wěn)定的內環(huán),然后得到電流環(huán)的閉環(huán)傳遞函數(shù)Tic(s),并將其作為電壓環(huán)的一個環(huán)節(jié),如圖3所示,然后設計電壓環(huán)調節(jié)器。這種控制方式的最大的優(yōu)點是,很好地解決了電路的限流問題,使電路具有最快的限流響應速度。但是,這種控制方式的實際限流給定是限流值Uiref加上D1的管壓降,因為D1的管壓降與通過它的電流有關,所以這種控制方式的穩(wěn)流精度不如前面那種控制方式,但可以通過調節(jié)電阻R3,減小D1管壓降的變化量,以提高這種控制方式的穩(wěn)流精度。


圖3電壓外環(huán)等效方框圖

圖中符號表示:

H為輸出電壓采樣系數(shù);

Ki為電感電流采樣系數(shù);

FM為脈寬調制器的傳遞函數(shù),F(xiàn)M=1/Upp,(Upp為三角波峰峰值);

GV(s)為電壓環(huán)PI調節(jié)器的傳遞函數(shù):

忽略輸出濾波電感電容等效電阻的影響后為

式中:Udc輸入直流母線電壓;

n為副邊與原邊的匝比;

L為輸出濾波電感值;

RL為濾波電感的電阻;

C為輸出濾波電容;

RC為濾波電容的串聯(lián)等效電阻;

R為負載電阻。

Z(s)為負載和輸出電容支路的并聯(lián)阻抗:

由圖2可得,電流環(huán)(內環(huán))的閉環(huán)傳遞函數(shù)為:

補償前,雙環(huán)控制方式下電壓環(huán)的開環(huán)波特圖見圖4。

圖4雙環(huán)控制方式下電壓環(huán)的開環(huán)波特圖(補償前)

補償后,電壓環(huán)的開環(huán)傳遞函數(shù)為:

Tvob(s)=HGv(s)Tic(s)Z(s)(8)

補償后,雙環(huán)控制方式下電壓環(huán)的開環(huán)波特圖見圖5。如圖5所示,系統(tǒng)的相位裕量為45°,穩(wěn)定裕量為50dB。

圖5雙環(huán)控制方式下電壓環(huán)的開環(huán)波特圖(補償后)


由等效方框圖圖3可得,補償前電壓環(huán)的開環(huán)傳遞函數(shù)為:


Gi(s)為電流環(huán)PI調節(jié)器的傳遞函數(shù):

Gdi(s)為主電路的占空比對電感電流的開環(huán)傳遞函數(shù)


圖2雙環(huán)控制模式下的電路方框圖

4控制電路實現(xiàn)

采用集成芯片UC3525外加運放構成平均電流模式控制電路,并用單片UC3535外加邏輯電路的方式形成有限雙極性控制的4路控制信號。如圖6所示。

(1)外環(huán)控制

電壓給定信號與輸出電壓反饋信號經運放U1補償比較得Ue,接到UC3525的內部誤差放大器正相輸入端:2腳作為反饋電流的控制信號Uip。當輸出電流超過給定限流值時,D11導通,Uip被嵌在給定限流值上。

(2)內環(huán)控制

采樣電阻檢測輸出電流并通過電流檢測放大器得電流反饋信號。接到UC3525的內部誤差放大器反相輸入端的1腳,與Uip進行比較。UC3525的9腳為反饋補償端。

(3)有限雙極性控制

UC3525的4腳為同步信號輸出,該信號作為D觸發(fā)器U3的時鐘信號,U3的Q端(1腳)和端(2腳)既可得到占空比為50%相位相差180°的兩組脈沖,Q11、Q12用于控制死區(qū)時間。

圖6單片UC3525構成有限雙極性控制原理圖

5結論

通過以上設計,對開關電源控制的一些關鍵問題得到了基本解決辦法,開關電源控制電路的實現(xiàn),使發(fā)電廠及變電站大容量直流系統(tǒng)能夠更加可靠的運行。

參考文獻

[1]林渭勛.現(xiàn)代電力電子電路.浙江大學出版社.2004

[2]高海生,張前彬等.110V大功率高頻開關電源的研制.華東交通大學學報.2004(10):1-4

[3]姜桂賓,裴云慶等.12V/5000A大功率軟開關電源的設計.電工電能新技術.2003(1):56-60

[4]陸鳴,楊恒等.自動均流技術及負載均流集成電路控制器UC3907.電子技術.1996(10):27-30

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關鍵詞: 高頻 控制 設計

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