双管正激双路输出开关变换器控制

2019-04-03杨琦杨进

现代计算机 2019年35期

杨琦，杨进

（广州铁路职业技术学院电气工程学院，广州510430）

0 引言

双管正激开关变换器克服了单管正激开关变换器中开关管电压应力高的缺点，而且不需要采用特殊的复位电路就可以保证变压器的可靠磁复位，具有很高的可靠性[1]。与半桥开关变换器和全桥开关变换器相比，其在结构上有抗桥臂直通的优点[2]。因此双管正激变换器被广泛应用于船舶供电系统、通信电源等中、大功率场合[3-4]。20 世纪70 年代以来，多输出开关变换器被广泛应用于工业、商业及军事设备的电子系统中。研究结果表明，在需要电池供电的便携式设备中，采用多路电源供电可进一步降低设备的能耗[5]。结合双管正激开关变换器和多路输出开关变换器的优点，本文将对双管正激双路输出开关变换器进行研究。

传统的多路输出技术主要是把几个不同的DCDC 变换器组装起来，或是采用具有耦合电感和磁放大器的二次稳压DC-DC 变换器，或是采用变压器副边多绕组，该类变换器不仅磁性元件多、电路复杂、体积大、成本高，而且还存在严重的交叉影响[6]。与传统的多输出变换器相比，采用分时复用[7]一个次级绕组的双管正激双路输出开关变换器有效地减少了电路的体积和重量，节省了电路制作的成本。本文主要通过对双管正激双路输出开关变换器的电路拓扑进行分析并进行小信号建模，继而对其采用分时复用PI 控制两路输出稳压。最后在电力电子专业仿真软件PSIM 中搭建了一台输入为DC48V，输出为DC12V 和DC5V 的双管正激双路输出开关变换器电路，对该变换器的两路精确控制以及两路间无交叉影响进行了验证。

1 分时复用技术

分时复用技术将通过图1 和图2 来分析说明。由图1 的电路框图可知，采样各支路的输出电压后，经过分时复用技术控制产生一系列具有一定时序的PWM波来同步控制变压器副边各输出支路开关管与变压器原边开关管的开通与关断。通过同步改变原边开关与副边各输出支路开关的PWM 波的占空比可以精确调节每一条输出支路的输出电压。图2 为分时复用产生的PWM 波形图。假设驱动原边开关管的PWM 波的周期为nTs，那么驱动副边每一条输出支路开关管的PWM 波周期为Ts。分时复用技术能够在一个为nTs的周期内调节所有输出支路。由于每一条输出支路的同步调节都是在不同的副边开关周期内进行，也就不存在调节时间上的重叠，因此没有交叉影响的问题存在。

图1 多路输出开关变换器的分时复用控制电路框图

图2 多路输出开关变换器原边开关和副边开关的PWM波形

2 工作原理及建模

双管正激双路输出开关变换器的电路原理图如图3 所示。从图中可知两条输出支路共用一个次级绕组，且在每个输出支路上均增加了一个开关管。

图3 双管正激双路输出开关变换器电路原理图

2.1 工作原理分析

图4 为工作在电感电流连续导电模式（Continuous Conduction Mode，CCM）下的双管正激双路输出开关变换器在运用分时复用技术控制时的主要波形图。从图中可知，副边两个开关管SS1、SS2工作在互补的相位。为了保证两条输出支路不相互影响，需要使占空比D1和D2均小于0.5。由于两条输出支路不存在交叉影响，且两条输出支路的电路结构与控制方法完全一致，因此可以把两条输出支路完全等同分析。在一个2Ts的周期内，每一条支路均有两种工作模态。

模态一：D1Ts（或D2Ts）期间，原边开关管SP1、SP2与副边开关管SS1（或SS2）导通，副边开关管SS2（或SS1）断开。此时，电源通过变压器给支路电感充电，输出支路的电感电流线性上升。

模态二：（2-D1）Ts（或（2-D2）Ts）期间，原边开关管SP1、SP2与副边开关管SS1、SS2均断开。此时，输出支路的电感电流通过二极管和负载放电，输出支路的电感电流线性下降。

由式（1）和式（2）联立可得双管正激双路输出开关变换器的每一条输出支路的电压传输比为：

图4 双管正激双路输出开关变换器电路原理图

2.2 状态空间平均等效模型

由于两条输出支路可以完全等同分析，因此只需分析一路输出的平均状态空间等效模型。根据两种工作模态可以建立CCM 下的双管正激双路输出开关变换器的小信号模型，以输出支路一为例。

工作状态1：D1Ts期间，电路图如图5 所示，以电感电流iL1（t）和电容电压vC1（t）为状态变量，以输入电流ig（t）和输出电压vo1（t）为输出变量，分别列写状态方程和输出方程。

图5 模态1等效电路图

工作状态2：（2-D1）Ts时期，电路图如图6 所示，此时对于电感L1和电容C1，可分别列写如下方程式。

图6 模态2等效电路图

由式（4）和式（5）联立求解并进行拉氏变换可得双管正激双路输出开关变换器输出支路一的控制-输出传递函数为：

同理可得输出支路二的控制-输出传递函数为：

由式（6）和式（7）可知，CCM 下的双管正激双路输出开关变换器的两条输出支路的控制-输出传递函数均为双重极点型传递函数，因此该变换器两条输出支路均可以采用PI 控制。

3 电路仿真分析

为了验证该变换器理论分析的正确性，在电力电子专业仿真软件PSIM 中进行仿真验证，仿真电路如图7 所示，仿真参数如图中所标示。

3.1 分时复用PI控制

图8 所示为该变换器采用的分时复用PI 控制原理图，其控制原理为分别采样输出支路一和输出支路二的输出电压vo1、vo2，经过PI 误差放大器调节，限制误差放大幅值后，分别与比较器的三角载波进行比较产生两路PWM 波k1和k2。与此同时，k1和k2通过D 触发器进行二分频，并和k1、k2分别相与，实现两输出支路分别在两个互补周期内进行控制两路输出而不相互影响。最后，由副边开关管PWM 波VGs1、VGs2相或输出PWM 波给原边开关SP1、SP2来选择输入的是输出支路一的PWM 波还是输出支路二的PWM 波，其仿真时序图为图9。

图7 双管正激双路输出开关变换器仿真电路图

图8 双管正激双路输出开关变换器控制原理图

图9 控制电路仿真时序波形

3.2 输出电压特性分析

图10 所示为双管正激双路输出开关变换器输出电压的仿真波形，两路输出支路分别实现了输出电压DC12V 和DC5V 稳压。说明该变换器采用分时复用PI控制可以精确调节输出稳压。

图11 展示了在t=0.2s 时刻，输出支路一负载减小之后，经过短时间PI 调节，输出支路一重新稳压到DC12V，且其并没有影响输出支路二的输出稳压；在t=0.22s 时刻，输出支路二负载减小之后，同样经过短时间PI 调节，输出支路二重新稳压到DC5V，且其同样没有影响输出支路一的输出稳压。图12 所示为在t=0.2s 时刻，输出支路一和二同时发生负载跳变，两路输出分别独立进行短时调节后，分别重新稳压到DC12V 和DC5V，两输出支路间没有相互干扰。由此说明，该变换器两路输出无交叉影响，控制电路具有良好的鲁棒性。