路 侃，張治國(guó)

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三電平DCDC電源模塊的環(huán)路設(shè)計(jì)實(shí)例

路 侃，張治國(guó)

（合肥華耀電子工業(yè)有限公司, 合肥 230031）

在三電平DCDC控制系統(tǒng)傳遞函數(shù)的基礎(chǔ)上，給出了環(huán)路設(shè)計(jì)過(guò)程。應(yīng)用Mathcad分析了在負(fù)載動(dòng)態(tài)變化時(shí)系統(tǒng)的環(huán)路性能。根據(jù)理論分析結(jié)果對(duì)一款3 kW三電平DCDC電源進(jìn)行了環(huán)路設(shè)計(jì)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證了理論分析的正確性。

三電平 環(huán)路設(shè)計(jì) 數(shù)字控制

0 引言

三電平DCDC電源模塊的優(yōu)點(diǎn)是開(kāi)關(guān)管的電壓應(yīng)力為輸入電壓的一半，降低了開(kāi)關(guān)器件的成本，也提高了可靠性。而且，PWM信號(hào)可采用移相方式實(shí)現(xiàn)，所以驅(qū)動(dòng)信號(hào)既可由傳統(tǒng)移相控制芯片輸出，也可用DSP數(shù)字芯片通過(guò)軟件編程實(shí)現(xiàn)，十分方便。

已有相關(guān)文獻(xiàn)對(duì)三電平DCDC電路拓?fù)涞墓ぷ髟砗驮O(shè)計(jì)過(guò)程進(jìn)行了研究。文獻(xiàn)[1]詳細(xì)論述了各類(lèi)拓?fù)淙娖紻CDC變換器的工作原理和軟開(kāi)關(guān)實(shí)現(xiàn)過(guò)程，也給出了具體實(shí)驗(yàn)結(jié)果。在其理論基礎(chǔ)上，文獻(xiàn)[2~3]介紹了三電平DCDC電源在充電機(jī)中的應(yīng)用實(shí)例，給出了相關(guān)電路的設(shè)計(jì)方法。本文通過(guò)一個(gè)實(shí)例給出控制環(huán)路的設(shè)計(jì)過(guò)程，此環(huán)路設(shè)計(jì)過(guò)程也可用于其他buck型開(kāi)關(guān)電源。

1 系統(tǒng)構(gòu)成

三電平DCDC電源模塊由5部分組成(圖1)，分別是輸入主電路、采樣電路、驅(qū)動(dòng)電路、DSP控制電路和輸出濾波電路。

三電平DCDC電源模塊主電路為半橋TL變換器電路拓?fù)?，主電路和主要?qū)動(dòng)波形如下圖2所示。

通過(guò)實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)Q1、Q4開(kāi)關(guān)管PWM占空比實(shí)現(xiàn)閉環(huán)，Q2、Q3開(kāi)關(guān)管驅(qū)動(dòng)脈沖保留死區(qū)后互補(bǔ)。

2 控制系統(tǒng)傳遞函數(shù)

電源運(yùn)行時(shí)可工作于恒壓模式和恒流模式，環(huán)路計(jì)算在DSP中斷子程序完成。恒壓模式包括電壓外環(huán)和電流內(nèi)環(huán)，而恒流模式只有電流環(huán)比較簡(jiǎn)單，因此本文只分析恒壓模式下的環(huán)路設(shè)計(jì)。

恒壓工作模式下，電壓外環(huán)確定了系統(tǒng)對(duì)負(fù)載的響應(yīng)，電流內(nèi)環(huán)確定了系統(tǒng)對(duì)輸入電壓的響應(yīng)，電流環(huán)的帶寬應(yīng)大于電壓環(huán)5～10倍。PI參數(shù)選擇是在系統(tǒng)建模的基礎(chǔ)上進(jìn)行的，可用Mathcad分析其系統(tǒng)幅頻曲線和相頻曲線，由此可確定環(huán)路參數(shù)?

三電平DCDC變換器本質(zhì)上是由buck變換器衍生而來(lái)的。對(duì)比buck電路的小信號(hào)模型[4]，可建立三電平DCDC的小信號(hào)模型，在其小信號(hào)模型的基礎(chǔ)上即可得到控制系統(tǒng)的傳遞函數(shù)。

三電平DCDC與buck電路的區(qū)別是存在占空比丟失，有效占空比計(jì)算式為[1]

(2)

結(jié)合(1)式，可得到

由此可以推導(dǎo)出系統(tǒng)的控制框圖（圖3）和電流內(nèi)環(huán)閉環(huán)傳遞函數(shù)（公式4），請(qǐng)見(jiàn)附錄所示。

把電流閉環(huán)傳遞函數(shù)作為一個(gè)新的傳遞函數(shù)得到系統(tǒng)的開(kāi)環(huán)傳遞函數(shù)。

3 環(huán)路分析與設(shè)計(jì)

圖4 控制系統(tǒng)Bode圖

圖4給出了輸入電壓相同，但負(fù)載不同時(shí)的幅頻曲線和相頻曲線的Bode圖。圖中，為補(bǔ)償前電壓開(kāi)環(huán)傳遞函數(shù)幅值計(jì)算式；為補(bǔ)償后幅值計(jì)算式；為補(bǔ)償前電壓開(kāi)環(huán)傳遞函數(shù)相角計(jì)算式，為補(bǔ)償后相角計(jì)算式。

由圖4可見(jiàn)，補(bǔ)償前低頻增益為負(fù)，系統(tǒng)在穩(wěn)定運(yùn)行時(shí)存在穩(wěn)態(tài)誤差，幅值曲線與橫坐標(biāo)軸無(wú)交點(diǎn)，所以要進(jìn)行電壓環(huán)補(bǔ)償。補(bǔ)償后低頻增益較大，所以穩(wěn)態(tài)誤差很小；高頻以-40 dB/sec衰減，抗干擾能力強(qiáng)；穿越頻率為76 Hz，相位裕度為53°；補(bǔ)償后理論計(jì)算結(jié)果符合工程設(shè)計(jì)要求。

4 設(shè)計(jì)實(shí)例

設(shè)計(jì)了一款3 kW的實(shí)驗(yàn)樣機(jī)，主電路參數(shù)與第3節(jié)所示主電路參數(shù)相同。恒壓模式下，輸入電壓625 V時(shí)進(jìn)入閉環(huán)。閉環(huán)調(diào)節(jié)過(guò)程中實(shí)驗(yàn)波形如下圖所示

圖中，自上而下，黃色線為Q1驅(qū)動(dòng)（DSP輸出端測(cè)量）波形，紅色為變壓器原邊電流波形，青色線為Q1 DS端波形，綠色線為輸出電壓經(jīng)采樣電路輸入DSP波形。DCDC處恒壓工作模式，實(shí)驗(yàn)中電源輸出端接電阻負(fù)載，調(diào)節(jié)范圍為20~40W；或者輸入電壓由625 V持續(xù)調(diào)高至800 V，輸出電壓始終穩(wěn)定在設(shè)定值280 V。

按照恒壓模式下的環(huán)路設(shè)計(jì)方法也可得到恒流控制模式下的PI參數(shù)。在恒流模式下，三電平DCDC樣機(jī)輸出端接20~40W電阻負(fù)載。輸入電壓調(diào)節(jié)至452 V時(shí)進(jìn)入恒流閉環(huán)。閉環(huán)調(diào)節(jié)過(guò)程中實(shí)驗(yàn)波形如下圖所示

圖中，自上而下，黃色為輸出電流波形，紅色為變壓器原邊電流波形，青色線為Q1 DS端波形。DC-DC處恒流工作模式，實(shí)驗(yàn)中輸入電壓由452 V持續(xù)調(diào)高至800 V，輸出電流始終穩(wěn)定在設(shè)定值9 A。

實(shí)驗(yàn)證明，通過(guò)環(huán)路設(shè)計(jì)得到的PI參數(shù)能使三電平DCDC穩(wěn)定運(yùn)行于恒壓和恒流模式，主要波形無(wú)明顯畸變，電路工作性能良好。

5 結(jié)論

三電平DCDC的環(huán)路設(shè)計(jì)是在其小信號(hào)模型的基礎(chǔ)上進(jìn)行的，在系統(tǒng)開(kāi)環(huán)傳遞函數(shù)的Bode圖的基礎(chǔ)上得到閉環(huán)調(diào)節(jié)器的PI參數(shù)進(jìn)行環(huán)路調(diào)節(jié)更容易，也更可靠。

因?yàn)榄h(huán)路設(shè)計(jì)是在buck型開(kāi)關(guān)電源的小信號(hào)模型基礎(chǔ)上進(jìn)行的，因此本方法適用于任何buck型開(kāi)關(guān)電源的環(huán)路設(shè)計(jì)。

[1] 阮新波. 三電平直流變換器及其軟開(kāi)關(guān)技術(shù)[M]. 北京：科學(xué)出版社, 2006.

[2] 唐許. ZVS半橋三電平充電機(jī)的研究與設(shè)計(jì)[D]. 電子科技大學(xué)碩士論文, 2015.

[3] 宋衛(wèi)平. 高壓直流通信電源中高頻開(kāi)關(guān)整流模塊的研究[D]. 南京航空航天大學(xué)碩士論文, 2012.

[4] 徐德鴻. 電力電子系統(tǒng)建模及控制[M]. 北京: 機(jī)械工業(yè)出版社, 2013.

Design Example of Control-loop for Three-level DC-DC Power Supply Module

Lu Kan, Zhang Zhiguo

(ECU Electronics Industrial Co., Ltd, Hefei 230031, China )

TM743

A

1003-4862（2017）09-0048-03

2017-06-15

路侃(1971-)，男，碩士。研究方向：高頻開(kāi)關(guān)電源的開(kāi)發(fā)與應(yīng)用。