李洋+李莉

摘 要： 提出采用三端PWM开关模型法建立PS?FB?ZVS?PWM变换器的平均电路小信号模型。分析并推导出PS?FB?ZVS?PWM变换器的传递函数，设计了电流内环功率外环的双环控制算法，并分析了基于双环控制的开环传递函数幅频和相频特性，最后通过PSIM仿真软件搭建了变换器的仿真模型。实验结果验证了基于双环控制的PS?FB?ZVS?PWM变换器可以很好地实现对输出功率的控制。

关键词： PS?FB?ZVS?PWM； 三端PWM开关模型； 占空比损失； 双环控制

中图分类号： TN911?34 文献标识码： A 文章编号： 1004?373X（2014）16?0144?04

Study of PS?FB?ZVS?PWM converter based on dual closed?loop control

LI Yang1， LI Li2

（1. Beijing institute of Petrochemical Technology， Beijing 102617， China； 2. Beijing Electronic Science & Technology Institute， Beijing 100070， China）

Abstract： A method that the three?terminal PWM switch model is adopted to establish small signal model of average circuit in PS?FB?ZVS?PWM convertor is proposed in this paper. The transfer functions of PS?FB?ZVS?PWM converter are derived and analyzed. The dual closed?loop （current inner loop and power outer loop） control algorithm was designed. The amplitude frequency and phase frequency characteristics of open?loop transfer functions based on dual loop control are analyzed in this paper. The simulation model of the converter was built with the simulation software PSIM. The simulated results indicate that PS?FB?ZVS?PWM converter with dual closed?loop control can achieve the output power control well.

Keywords： PS?FB?ZVS?PWM； three?terminal PWM model； duty ratio loss； dual loop control

在大功率变换场合，移相全桥软开关变换器应用非常广泛。而在实际电路中，由于移相全桥电路中功率开关管参数以及驱动电路的不一致性，会导致高频变压器原边正负脉冲不对称，即在交流电压中含有直流分量。由于高频变压器原边绕组电阻很小，若此直流分量长时间作用，则会导致铁芯直流磁化甚至饱和，使变换器不能正常工作。

通常可在高频变压器原边电路中串联一个隔直电容，该电容上承受了直流分量，使得变压器原边只有交流电压成分，从而消除了直流磁化的问题。

本文针对带隔直电容的PS?FB?ZVS?PWM变换器，提出了采用三端PWM开关模型法建立小信号模型的方法，搭建电流内环功率外环的控制方案。

1 PS?FB?ZVS?PWM变换器

PS?FB?ZVS?PWM变换器的主电路如图1所示，其中：[Vin]为直流输入电压；[Q1]～[Q4]为四个功率开关管；[Dn]，[Cn]（n=1，2，3，4）分别是功率开关管[Qn]的反并联二极管和内部寄生电容；[Lr]为变压器原边漏感；[Cb]为隔直电容；[Lf]和[Cf]为输出滤波电感和滤波电容；T为高频变压器；[D5]和[D6]为输出整流二极管；[RL]为负载。

图1 PS?FB?ZVS?PWM变换器主电路

图2为全桥电路四个功率开关管的驱动脉冲波形和主要工作波形，其中 [Q1]和[Q2]分别超前[Q4]和[Q3]一个相位，因此称[Q1]和[Q2]所在的桥臂为超前臂，[Q3]和[Q4]所在的桥臂为滞后臂。每个桥臂上下开关管的驱动脉冲互补，对角开关管的驱动脉冲相差一个相位，即移相角，通过调节移相角的大小，可以控制输出电压的大小。

图2 主要工作波形

2 PS?FB?ZVS?PWM变换器的小信号平均电路模型

三端PWM开关，如图3（a）所示。对三端PWM开关进行小信号分析，可得三端PWM开关在连续导电模式下的小信号平均电路模型[2]，如图3（b）所示。传统Buck电路拓扑如图4（a）所示，其中用虚线框标示的部分可以看出是三端PWM开关，其Buck电路的小信号等效电路模型化简后可以得到图4（b）所示的小信号模型。

图3 三端PWM开关模型

PS?FB?ZVS?PWM变换器是由Buck型PWM变换器衍生出来，其电路拓扑如图5所示。假设图5中[p]和[p′]连在一起，则图中虚线框部分可以等效为一个三端PWM开关模型。PS?FB?ZVS?PWM变换器与Buck变换器的不同之处在于它存在占空比损失问题。这是由于全桥变换器中变压器原边漏感和副边整流二极管的影响，使得由开关管[Q1]，[Q4]导通到变压器副边电压升到[nVin]存在一段时间的延迟，从而引起占空比丢失现象。PS?FB?ZVS?PWM变换器小信号模型中的。有效占空比[Deff]与输入电压[Vin]，输出滤波电感电流[IL]、原边占空比[D]等有关。当[Vin]，[IL]，[D]存在小信号扰动时，也会引起有效占空比[Deff]的变化，假设以上三种不同的扰动对[Deff]产生的三种对应的扰动量为[dv]，[di]，[dd]，则有效占空比[Deff]的扰动量为：

[deff=dv+di+dd] （1）

因此，将Buck变换器的小信号平均电路模型中[d→deff]、[D→Deff]，就可以得到PS?FB?ZVS?PWM开关变换器的小信号模型等效电路如图6所示。

图4 Buck变换器与小信号模型

图5 PS?FB?ZVS?PWM变换器电路拓扑

对于输出滤波环节的传递函数[Ho（s）]为：

[Ho（s）=vovi=1sC//RsL+1sC//R=1s2LC+sLR+1=1Δf] （2）

则滤波环节的输入阻抗为：

[Zf=vi（s）ii（s）=vi（s）vo（s）1sC//R=R1+sCRΔf] （3）

图6 PS?FB?ZVS?PWM变换器的小信号平均电路模型

滤波环节的输出阻抗为：

[Zo=vo（s）io（s）=vo（s）vo（s）sL//1sC//R=sL1+sLR+s2LC=sLΔf] （4）

令[vin（s）=0]，由式（1）可得[dv=0]，可求得输出电压[vo（s）]对控制变量[d（s）]的传递函数[Gvd（s）]：

[Gvd（s）=vo（s）d（s）vin（s）=0=nVins2LC+s（LR+RdC）+RdR+1] （5）

同时可得输出滤波电感电流[iL（s）]对控制变量[d（s）]的传递函数[Gid（s）]

[Gid（s）=iL（s）d（s）vin（s）=0=nVin（sC+1/R）s2LC+s（L/R+RdC）+Rd/R+1] （6）

3 PS?FB?ZVS?PWM 变换器的闭环控制设计

对PS?FB?ZVS?PWM变换器采用电流内环功率外环进行控制。可推导出基于平均电流控制的双闭环控制模型，如图7所示。图中[Kv]，[Ki]分别为输出电压和电流的采样网络的比例系数，[Gv（s）]，[Gi（s）]为电压环和电流环的补偿网络的传递函数，[KPWM]为锯齿波比例系数，[Gid（s）]是输出电感电流到控制变量[d（s）]的传递函数，[Gvd（s）]是输出电压到控制变量[d（s）]的传递函数。

图7 PS?FB?ZVS?PWM变换器双闭环控制框图

可知，电流内环的开环传递函数为：

[Gio（s）=Gi（s）KPWMGid（s）Ki] （7）

则电流内环的闭环传递函数为：

[Gis（s）=Gi（s）KPWM1+Gio（s）] （8）

因此，PS?FB?ZVS?PWM变换器闭环控制系统的开环传递函数为：

[Gvo（s）=Gv（s）Gis（s）Gvd（s）Kv] （9）

PS?FB?ZVS?PWM变换器的参数为：[Vin]=600 V，[V0]=60 V，[fs]=20 kHz，[Lr]=8 μH，[Ns∶Np=1∶7]，[Lf]=14 μH，[Cf]=4 000 μF，R=0.096 Ω。用Matlab计算出以电流内环功率外环控制PS?FB?ZVS?PWM变换器的开环幅频和相频特性，如图8所示。由图中可知，双环控制系统的相角裕度为95°，以-20 dB/（°）的斜率穿过0 dB线，且具有较宽的中频段宽度。高频段的幅值较小，具有较好的抗高频干扰能力，因此系统具有优良的动态性能。

图8 PS?FB?ZVS?PWM变换器的闭环控制

开环传递函数的频率特性曲线

4 PS?FB?ZVS?PWM 变换器的闭环控制仿真

采用PSIM软件，搭建了PS?FB?ZVS?PWM变换器的仿真模型，如图9所示。

图9 移相全桥主电路仿真模型

采用电流内环功率外环的双环控制，控制环路如图10（a）所示。图10（b）为PI算法，通过对输出端的电压和电流进行采样，再分别乘以采样比例系数，将电压和电流相乘得到功率的反馈量，与功率的给定值进行比较后经PI算法计算得到最终的PWM脉冲波形，从而控制全桥电路中功率开关管的通断。

开关管T1，T2，T3，T4的驱动脉冲仿真波形如图11所示，由图中可知同一桥臂的上下管之间设有死区时间，通过控制全桥电路对角开关管驱动脉冲的移相角，以实现对电源输出功率的控制。

图10 移相全桥的控制电路仿真模型

图11 移相全桥四个开关管的驱动脉冲

PS?FB?ZVS?PWM变换器的输出电压和电流仿真波形如图12所示，由图中可看出以电流内环功率外环的控制策略很好的解决了移相全桥的输出功率跟随功率给定的问题。

图12 PS?FB?ZVS?PWM变换器的输出电压和电流仿真波形

变压器原边的电压、电流波形和隔直电容上的电压波形如图13所示，验证了本电路的设计可以很好地实现移相全桥软开关的效果。

图13 变压器原边电压、电流波形和隔直电容的电压波形

5 结 论

本文通过对PS?FB?ZVS?PWM变换器的工作原理进行详细分析，提出了采用三端PWM开关模型法建立变换器的小信号平均电路模型，由于移相全桥电路是Buck型变换器衍生出来的，因此可以先用三端PWM模型法推导Buck电路的小信号模型，再推广到PS?FB?ZVS?PWM变换器，不过由于PS?FB?ZVS?PWM变换器存在占空比损失问题，因此不能简单的套用Buck电路的小信号模型。根据PS?FB?ZVS?PWM变换器的小信号平均电路模型推导出变换器的传递函数。并设计了电流内环功率外环的控制方案，从其闭环控制传递函数的开环对数频率特性验证了该控制环具有很好的响应特性。最后通过PSIM软件，搭建了变换器的仿真模型，通过仿真结果验证了基于电流内环功率外环的控制方案很好的解决了PS?FB?ZVS?PWM变换器的功率控制问题。

参考文献

[1] 阮新波，严仰光.脉宽调制DC/DC全桥变换器的软开关技术[M].北京：科学出版社，1999.

[2] 蔡宣三，龚绍文.高频功率电子学[M].北京：中国水利水电出版社，2009.

[3] 张卫平.开关变换器的建模与控制[M].北京：中国电力出版社，2005.

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[5] HSIEH Guan?Chyun， LI Jung?Chien， LIAW Ming?Huei， et al. A study on full?bridge zero?voltage?switched PWM converter： design and experimentation [C]// Proceedings of 1993 International Conference on Industrial Electronics， Control， and Instrumentation. [S.l.]： IEEE， 1993， 2： 1281?1285.

[6] SABATE J A， VLATKOVIC V， RIDLEY R B， et al. Design considerations for high?voltage high?power full?bridge zero?voltage?switched PWM converter [C]// Proceedings 1990 Fifth Annual Applied Power Electronics Conference and Exposition. [S.l.]： IEEE， 1990： 275?284.

[7] Schutten M J， Torrey D A. Improved small?signal analysis for the phase?shifted PWM power converter [J]. IEEE Transactions on Power Electronics， 2003， 18（2）： 659?669.

图13 变压器原边电压、电流波形和隔直电容的电压波形

5 结 论

本文通过对PS?FB?ZVS?PWM变换器的工作原理进行详细分析，提出了采用三端PWM开关模型法建立变换器的小信号平均电路模型，由于移相全桥电路是Buck型变换器衍生出来的，因此可以先用三端PWM模型法推导Buck电路的小信号模型，再推广到PS?FB?ZVS?PWM变换器，不过由于PS?FB?ZVS?PWM变换器存在占空比损失问题，因此不能简单的套用Buck电路的小信号模型。根据PS?FB?ZVS?PWM变换器的小信号平均电路模型推导出变换器的传递函数。并设计了电流内环功率外环的控制方案，从其闭环控制传递函数的开环对数频率特性验证了该控制环具有很好的响应特性。最后通过PSIM软件，搭建了变换器的仿真模型，通过仿真结果验证了基于电流内环功率外环的控制方案很好的解决了PS?FB?ZVS?PWM变换器的功率控制问题。

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图13 变压器原边电压、电流波形和隔直电容的电压波形

5 结 论

本文通过对PS?FB?ZVS?PWM变换器的工作原理进行详细分析，提出了采用三端PWM开关模型法建立变换器的小信号平均电路模型，由于移相全桥电路是Buck型变换器衍生出来的，因此可以先用三端PWM模型法推导Buck电路的小信号模型，再推广到PS?FB?ZVS?PWM变换器，不过由于PS?FB?ZVS?PWM变换器存在占空比损失问题，因此不能简单的套用Buck电路的小信号模型。根据PS?FB?ZVS?PWM变换器的小信号平均电路模型推导出变换器的传递函数。并设计了电流内环功率外环的控制方案，从其闭环控制传递函数的开环对数频率特性验证了该控制环具有很好的响应特性。最后通过PSIM软件，搭建了变换器的仿真模型，通过仿真结果验证了基于电流内环功率外环的控制方案很好的解决了PS?FB?ZVS?PWM变换器的功率控制问题。

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