基于三模控制的四开关变换器设计
2021-06-03曹以龙朱冬冬
曹以龙，朱冬冬，吴 丹
(上海电力大学电子与信息工程学院，上海 200090)
如今各行各业均与各式各样的电源有着密不可分的关系，不管从事什么行业，如医学、军事、汽车等，均有着电源技术的加入[1]，电源技术的成长与国民经济日益密切，传统的电源主要有模拟电源和数字电源，随着数字芯片的发展，近年来，数字电源越加热门[2]。
目前，常用的电源拓扑主要有升压Boost 电路、降压Buck电路和一些非隔离式降压-升压转换器电路。转换器主要分Buck-Boost 转换器、Cuk 转换器、Zeta 转换器 和SEPIC 转换器[3-4]。但是Buck-Boost 转换器和Cuk 转换器的输入和输出电压极性相反，因此难以实现辅助电源和驱动，并且开关管的电压应力为输入和输出电压之和[5-6]。Zeta 转换器和SEPIC转换器的输入和输出极性相同。但是，有许多无源元件不利于功率密度的提高[7]。它们还具有开关晶体管的高电压应力问题。与上述常规降压-升压转换器相比，四开关降压-升压转换器(FSBB)具有功率器件的电压应力低、无源元件更少以及输入和输出电压的极性相同的优点[8]。
1 FSBB 控制原理
1.1 FSBB 电路拓扑
FSBB 变换器的基本结构如图1 所示。
图1 FSBB的基本结构
整个系统基本结构是由续流电感L，开关管S1、S2、S3、S4以及输出电容C 组成，Vin为输入电压，Vout为输出电压。为了方便分析计算，假设所有器件均可以工作在理论状态，输出电容C能够稳定输出电压Vout的值，开关器件均处于理想状态。
V1是电感L 的输入电压，与开关管S1 的关系如式(1):
式中：DS1为开关管S1 的占空比。L 的输出电压V2与输出电压关系为[9]:
式中：DS4为开关管S4 的占空比。根据电路稳态工作时，一个开关周期内FSBB 电路的L 电压的平均值为零，则：V1=V2;联立式(1)～(2)，得到在Matlab中绘制出M与DS1、DS4的关系，见图2。可以看出该电路存在两个自由度DS1、DS4，通过控制DS1、DS4拓宽变换器的输出范围，具有灵活的调节性能[11]。
图2 M与占空比的关系
1.2 FSBB 控制方案
FSBB 电路常见的控制方案一般有单模控制、双模控制以及三模控制等[12]。本文采用常见三模控制，并且在中间升降压区间加以改进，在该区间双管驱动，控制原理如图3所示。
图3 FSBB控制原理
在图3 中，DS1和DS4作为四开关电路的占空比，采用脉冲宽度调制方式，h是两个占空比DS1、DS4之间的差值，锯齿载波的高信号为VH，低信号为VL,VH-VL=1。其中DS1=DS4+h,h<1。
采用三模控制可以解决四开关普遍存在的由于占空比的死区限制导致的输出电压不连续的问题，如图3 所示，当VL 当系统闭环控制只有PI 控制器时，输出电压中掺杂了一定含量二倍工频纹波，降低输出电压Vout的二倍工频纹波分量可以减少输入电流的畸变率。同时二倍工频纹波分量的存在也会降低系统的响应速度[13]。本文在电压环加入功率前馈，加快系统响应。系统程序框图如图4 所示。 图4 程序结构图 图4 中LPF 为数字惯性滤波器，用以将输入输出电压与噪声分离，提高输入输出电压的抗干扰性及信噪比，同时滤除一些谐波，提高分析精度。KP、Ki分别是PI 控制器的比例积分系数，R 作为一个模式选择器，选择相对应系统的模态。λ为参考功率反馈系数，加入功率前馈控制，有效地消除输入到输出的扰动。 采用该方案设计的数字电源具有灵活的动态输出性能，由于两个自由度互不干扰，核心部分是两个半桥整流电路元件选型。本文采用模块化设计的半桥整流电路结构与主电路通过插排连接。半桥整流电路结构如图5 所示。 图5 模块化半桥结构图 图5 为一个半桥结构的原理图和硬件实物图，为了节约设计成本，方便后期维护，采用模块化插排式设计，电源的预设计输入电压为5～15 V，输出电压为0～35 V,所以采用的PWM 驱动芯片为TLP-152 驱动芯片，两个黄色绕组线圈原件是自制双绕组变压器，通过电源芯片SN6501 输出±15 V 的电压给PWM 驱动芯片TLP-152 供电，所选用的元器件成本低、通用和易获得。开关管选型为STB30NF20，其击穿电压为200 V，额定电流30 A，具有充足设计裕度。 根据理论分析，在实验室有限的条件下搭建了一个30 W的基于FSBB 数字电源样机，样机桌面实验见图6。 图6 数字电源实验图 实验电路控制芯片采用TMS28069 型DSP，续流电感感值为20 μH，输出电容采用2 个串联的330 μF 的电容再并联，输入电压5～15 V，输出电压0～30 V，开关频率为20 kHz。图7为半桥模块驱动信号测试截图。 图7 半桥模块驱动信号测试 图7(a)为开关频率20 kHz 下两个半桥模块中开关管S1和S4 的占空比为0.3 和0.7 的驱动电压截图，可以看出驱动芯片能够稳定输出驱动电压，图7(b)为实验中间模态向升压模态过渡阶段占空比截图，可以看出驱动信号的占空比能够平稳过渡，死区空间消失。图8(a)为输入12 V 时，输出电压从10 V 阶跃到15 V 时输入电压和输出电压波形图，可以看出该数字电源阶跃响应大概为20 ms 左右，动态响应好；图8(b)为输入电压12 V 不变时，调节输出电压从15 V 变为20 V，可以看出稳定输出电压能快速跟随给定电压，输出电压没有较大的波动，纹波小。通过多次实验，发现负载值越大，系统效率越高，稳定性越好。 图8 输出阶跃实验截图 图9 为FSBB 电源的效率。可以看出FSBB 电源的效率都在95.5%以上，具有较高的效率。在升降压区间通过调节两个占空比，可以改进三模控制，降低传统三模控制时开关应力，减少了开关的损耗。其在中间模态效率比传统三模控制提高了0.15%左右。 图9 FSBB电源效率 设计的基于四开关电路拓扑的数字电源的关键部分为两个采用模块化设计的半桥电路。半桥电路用开关管驱动，电路设计简单，成本低，输出输入电压范围都很宽，加入前馈控制，输出电压纹波小，抗扰动能力好，动态响应快。最终实验结果发现该方案解决了双模控制时的输出电压不连续，存在电压死区的问题。与其他升降压变换器相比，本设计具有较宽范围的输出，系统输出效率高（达到95.5%以上），动态性能好，多次实验发现能够在50 ms 内稳定追踪给定电压。改进三模控制与传统三模控制相比较在中间模态效率提高了0.15%左右，本文设计的数字电源具有较好的应用前景。
2 模块化半桥整流电路设计
3 实验分析
4 结论
