文獻(xiàn)標(biāo)識碼: A
DOI:10.16157/j.issn.0258-7998.172895
中文引用格式: 崔超,,李紅梅,,張恒果,等. 改進(jìn)移相全橋DC/DC變換器的建模研究[J].電子技術(shù)應(yīng)用,,2018,,44(4):146-148,152.
英文引用格式: Cui Chao,,Li Hongmei,,Zhang Hengguo,et al. Research on modeling of modified phase-shifted full-bridge DC/DC converters[J]. Application of Electronic Technique,,2018,,44(4):146-148,152.
0 引言
全橋拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)已成為各種工業(yè)應(yīng)用中功率變換器的主導(dǎo)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu),,全橋DC/DC變換器中的MOS管應(yīng)工作于零電壓開關(guān)(Zero Voltage Switching,,ZVS)條件下,一方面保證變換器工作可靠,,另一方面可減少開關(guān)損耗及系統(tǒng)電磁干擾(Electromagnetic Interference,,EMI)[1]。而移相全橋DC/DC變換器由于其工作原理簡單,、高功率密度和EMI低等優(yōu)點(diǎn),,已廣泛應(yīng)用于電動汽車充電器等電源變換器中[2]。傳統(tǒng)移相全橋DC/DC變換器自身存在占空比丟失,、副邊整流二極管端電壓峰值過高等固有的技術(shù)不足,。文獻(xiàn)[3-4]中提出一種改進(jìn)的移相全橋DC/DC變換器拓?fù)洌撏負(fù)湓诓恍枰~外輔助回路的前提下,,解決了副邊整流二極管端電壓峰值過高問題,,同時(shí)研究表明改進(jìn)變換器工作于電流斷續(xù)模式(Discontinuous Current Mode,DCM)為最佳工作模態(tài),,此時(shí)由于電流斷續(xù)移相全橋變換器不存在占空比丟失的問題,。
電力電子系統(tǒng)的建模,已經(jīng)歷了由數(shù)值法到解析法的發(fā)展過程[5],。數(shù)值法由于物理意義不明確且計(jì)算量過大已逐漸被解析法所替代,;解析法中,又以狀態(tài)空間平均法和電路平均法為主導(dǎo),。狀態(tài)空間平均法具有物理概念明確,、模型簡單清晰的優(yōu)勢,已在電力電子建模中獲得了廣泛應(yīng)用,,但狀態(tài)空間平均法對于高階變換器系統(tǒng)以及工作于DCM的變換器建模與計(jì)算過程繁瑣,;電路平均法中的開關(guān)元件平均模型法可直接對開關(guān)元件進(jìn)行處理,物理意義明確,、便于理解且分析過程簡單清晰,,方便拓展實(shí)現(xiàn)考慮寄生參數(shù)的非理想變換器建模[6]。傳統(tǒng)移相全橋DC/DC變換器的建模,,多采用狀態(tài)空間平均法,,且多集中于分析討論工作于電流連續(xù)模式(Continuous Current Mode,CCM)的變換器建模,。
論文針對改進(jìn)的移相全橋DC/DC變換器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu),,該變換器為高階系統(tǒng)且工作于DCM,目前尚無文獻(xiàn)給出其建模方法及具體的建模過程,,為此,,論文首先分析其工作原理,,然后研究基于開關(guān)元件平均模型法的變換器小信號模型的建立,推導(dǎo)DCM變換器功率級輸出傳遞函數(shù),,且通過掃頻方法分別獲得其幅頻特性,,證實(shí)改進(jìn)移相全橋拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)DC/DC變換器建模方法及所建模型的合理有效性。
1 改進(jìn)的移相全橋DC/DC變換器
1.1 工作原理分析
傳統(tǒng)移相全橋電路通過移相控制方法,,利用MOS管結(jié)電容與變壓器原邊漏感諧振實(shí)現(xiàn)功率開關(guān)的軟開關(guān),。論文建議的改進(jìn)移相全橋拓?fù)湓趥鹘y(tǒng)拓?fù)涞幕A(chǔ)上,僅在副邊整流橋后并聯(lián)一小容值的電容,,其拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖1所示,。
該拓?fù)渲械拈_關(guān)管Q1、Q2組成超前臂,,開關(guān)管Q3、Q4組成滯后臂,,Lk為變換器原邊諧振電感,,T為變壓器,D1-D4組成副邊全橋整流電路,,C1為額外增加的電容,,L2、C2組成輸出LC濾波網(wǎng)絡(luò),,R為電路負(fù)載,。變換器工作過程詳見文獻(xiàn)[2]。
1.2 主要元器件參數(shù)設(shè)計(jì)
變換器的設(shè)計(jì)需求為:輸入電壓380 V,,輸出電壓200~450 V,,輸出電壓紋波<2%,輸出最高電流6 A,,開關(guān)周期fs=40 kHz,。
選擇Vo=400 V,Io=5 A,,Po=2 kW,,變壓器原副邊變比為K=0.92:1。
1.2.1 諧振電感
為了實(shí)現(xiàn)開關(guān)管的零電壓開通,,需要有足夠大的能量將開關(guān)管結(jié)電容上的電荷抽走,,并為同一橋臂另一個MOS管的結(jié)電容充電,電感值太小會造成移相橋臂滯后臂軟開關(guān)失敗,,太大一方面會增加變換器的體積,,此外還會降低變換器效率,由
式中:Ip為變壓器原邊電流,,Coss為在輸入電壓條件下MOS管的漏源極寄生電容,,Vin為輸入電壓,。
考慮在20%負(fù)載條件下可以實(shí)現(xiàn)軟開關(guān),諧振電感Lk取38.5 μH,。
1.2.2 并聯(lián)電容
并聯(lián)電容的計(jì)算公式為:
式中:ΔVcf表示電容兩端的電壓紋波,,一般取輸出電壓的5%~10%,fs為開關(guān)頻率,。電容值取1 μF,。
1.2.3 輸出濾波電感
濾波電感上電流最大紋波取輸出電流的20%,并且要求在最小輸出電流的情況下,,電感電流保持連續(xù),,取滿載電流的10%,則輸出濾波電感為:
式中:K為變壓器原副邊變比,,VLf為濾波電感L2上的直流壓降,,VD表示整流二極管的通態(tài)壓降。取L2=500 μH,。
1.2.4 輸出濾波電容
根據(jù)負(fù)載電池對充電電壓紋波峰峰值小于2%的要求,,電容值為:
式中:fcf=2fs,ΔVopp為輸出電壓紋波峰峰值,。取輸出電壓紋波系數(shù)為2%,,則電容取50 μF。
2 改進(jìn)移相全橋DC/DC變換器建模
文獻(xiàn)[7-8]通過分析傳統(tǒng)移相全橋變換器在理想條件下的工作模態(tài),,結(jié)合BUCK變換器的平均等效模型且考慮了占空比丟失對移相全橋電路的影響,,建立了傳統(tǒng)移相全橋變換器的等效模型。
基于改進(jìn)移相全橋DC/DC變換器的工作模態(tài)分析,,論文從具有兩級LC電路的BUCK變換器等效電路入手,,獲得了改進(jìn)移相全橋變換器的等效電路如圖2所示,其中Vg,、L1分別為Vdc,、Lk通過等效變換從變壓器T原邊變換到副邊所對應(yīng)的電源電壓和諧振電感。
圖2的等效電路與具有兩級LC濾波器的BUCK變換器相同,,考慮到變換器工作于DCM,,采用開關(guān)元件平均模型法建立變換器的小信號模型,為便于分析,,選擇iL1,、vC1作為狀態(tài)變量,其中iL1表示電感L1流過的電流,,vC1表示電容C1兩端的電壓,。
根據(jù)開關(guān)元件平均模型法即以電流控制的電流源iQ代替開關(guān)管Q1,以電壓控制的電壓源vD代替續(xù)流二極管D,,以端電壓vL1始終為零的電流源iL1代替電感L1,,根據(jù)改進(jìn)移相全橋DC/DC變換器等效電路,,并對相關(guān)變量進(jìn)行小信號擾動與線性化處理可得改進(jìn)移相全橋DC/DC變換器的交流小信號等效電路如圖3所示。其中分別表示各變量的小信號擾動量,。
由圖3可得電感L2上的電流,、輸出電壓對占空比的傳遞函數(shù)分別為:
式中:VC2為電容C2兩端的電壓,表示系統(tǒng)輸出電壓,,iL2為流過電感L2的電流,。
3 系統(tǒng)掃頻仿真研究
基于MATLAB/Simulink軟件,建立改進(jìn)移相全橋拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)DC/DC變換器的Simulink模型,,進(jìn)行仿真研究,,仿真參數(shù)為Vdc=380 V,Lk=38.5 μH,,C1=10 μF,,L2=500 μH,C2=20 μF,,D=0.5,,VC2=422 V,R=400 Ω,,變壓器變比為0.92:1,開關(guān)頻率fs=40 kHz,,輸出電壓對占空比的傳遞函數(shù)的波特圖如圖4所示,。
通過掃頻的方法分析流過電感 L2上的電流與系統(tǒng)的輸入占空比 d之間的幅頻和相頻關(guān)系,并通過離散點(diǎn)擬合得到的幅頻特性曲線和相頻特性曲線,,如圖5所示,。圖4與圖5揭示出兩圖在靜態(tài)增益、穿越頻率和相位裕度等關(guān)鍵參數(shù)都近似相等,??紤]Simulink仿真模型與理想模型之間的區(qū)別,兩者幅相特性曲線基本吻合,,證實(shí)了改進(jìn)移相全橋拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)DC/DC變換器的建模方法及所建模型的合理有效性,。
4 結(jié)論
鑒于傳統(tǒng)的移相全橋電路存在的技術(shù)不足,論文建議采用改進(jìn)的移相全橋電路拓?fù)?,?jīng)類比傳統(tǒng)移相全橋電路的建模方法,,首次應(yīng)用開關(guān)元件平均模型法建立了該拓?fù)涔ぷ饔贒CM的小信號模型,且通過掃頻分析證實(shí)了改進(jìn)移相全橋DC/DC變換器建模方法及所建模型的合理有效性,;建議的建模方法擁有計(jì)算簡便,、物理意義明確、便于拓展考慮電路寄生參數(shù)建立非理想模型等優(yōu)點(diǎn),。為該拓?fù)涞目刂破髟O(shè)計(jì)及系統(tǒng)控制系統(tǒng)性能的全面提升奠定了堅(jiān)實(shí)的研究基礎(chǔ),。
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作者信息:
崔 超,,李紅梅,,張恒果,曾燊杰
(合肥工業(yè)大學(xué) 電氣與自動化工程學(xué)院,,安徽 合肥230009)