0 引言

    隨著電力電子技術(shù)的不斷發(fā)展，高壓電源作為特種電源的一種被廣泛應(yīng)用于電力電網(wǎng),、通信,、環(huán)境以及航空航天等諸多領(lǐng)域^[1-2]。在電力電纜故障點(diǎn)的快速定位中,，高壓電源作為電纜檢測儀的重要組成部分,，配合高壓脈沖電容器負(fù)責(zé)向故障電纜提供一定能量的脈沖激勵(lì)信號(hào)，由接收機(jī)對(duì)回波信號(hào)進(jìn)行分析和處理,，得出故障點(diǎn)的位置信息,。然而，地下電纜的長度,、規(guī)格型號(hào),、耐壓等級(jí)在不同的使用環(huán)境中需求各異,，所以要求檢測設(shè)備中高壓電源的輸出電壓應(yīng)能根據(jù)需要調(diào)節(jié)到適和電纜故障點(diǎn)定位需求的幅值,，從而適應(yīng)電纜的耐壓等級(jí)，避免故障電纜二次擊穿現(xiàn)象的發(fā)生,。

    根據(jù)應(yīng)用需求,，本文設(shè)計(jì)了一種軌到軌可調(diào)輸出單級(jí)Buck變換器^[3]，通過對(duì)全橋變換器直流母線輸入電壓進(jìn)行前級(jí)預(yù)調(diào)壓,，然后經(jīng)全橋逆變升壓輸出,，從而實(shí)現(xiàn)高壓電源寬范圍可調(diào)輸出，以滿足用戶在不同使用環(huán)境下對(duì)高壓電源輸出電壓幅值的要求,，提高電源的安全性和穩(wěn)定性,，避免電纜檢測中電纜被二次擊穿。

1 Buck變換器統(tǒng)一電路模型

    Buck變換器的電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)與統(tǒng)一電路模型^[4-5]如圖1所示,，Q為功率開關(guān)管,，VD為續(xù)流二極管，L為濾波電感,，C為濾波電容,，R為負(fù)載電阻，V_g為輸入電壓,，V_o為輸出電壓,，i_L為電感電流，u為開關(guān)管控制信號(hào),。

    根據(jù)圖1可知Buck變換器輸入至輸出的傳遞函數(shù)以及占空比至輸出的傳遞函數(shù)分別為：

2 Buck變換器反饋補(bǔ)償控制器設(shè)計(jì)

    根據(jù)式(1),、式(2)可知，Buck變換器的輸出受到占空比D和負(fù)載R的影響,。因此需要進(jìn)行閉環(huán)反饋補(bǔ)償控制,，以提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性和魯棒性,。

2.1 Buck變換器技術(shù)參數(shù)設(shè)計(jì)

    文中Buck變換器的主要技術(shù)參數(shù)如下：

    (1)輸入電壓：AC 220 V；輸出電壓：DC 10~300 V連續(xù)可調(diào),，額定輸出電流20 A,，輸出限流30 A；

    (2)PWM控制器占空比調(diào)節(jié)范圍：3%<D<97%,；開關(guān)頻率f_s=50 kHz,；

    (3)輸出濾波電感L=5.5 mH，輸出濾波電容C=4 000 μF,，假定負(fù)載為純電阻：R≥15 Ω,。

2.2 閉環(huán)穩(wěn)定性分析

    假設(shè)G_m(s)為PWM脈寬調(diào)制器的傳遞函數(shù)，脈寬調(diào)制采用鋸齒波調(diào)制,，幅值范圍為0~V_m,；H(s)為電阻R₁和R₂分壓反饋網(wǎng)絡(luò)的傳遞函數(shù)；G_c(s)為補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)的傳遞函數(shù),，則具有閉環(huán)反饋補(bǔ)償控制的Buck變換器結(jié)構(gòu)框圖如圖2所示,。

    其中

    從圖3(a)中G_o(s)的極點(diǎn)分布以及幅相曲線的特點(diǎn)可知該系統(tǒng)是穩(wěn)定的，但是其相對(duì)穩(wěn)定性較低,。

    系統(tǒng)的相對(duì)穩(wěn)定性主要體現(xiàn)在相位裕量和增益裕量兩個(gè)方面,。從圖3(b)中G_o(s)的幅頻曲線可知G_o(s)低頻增益為8.5 dB的水平線，高頻增益為以-40 dB/dec斜率穿越0 dB線的折線,。系統(tǒng)增益交越頻率f_g=49.2 Hz,；相位裕量Φ_m=180°+arg(G_o(j2πf_g))=6°；增益裕量A_g<-40 dB,?？梢奊_o(s)的相位裕量和增益裕量均偏小，穩(wěn)定性差,，極端工作條件下系統(tǒng)性能下降,，很容易造成系統(tǒng)失效。因此,，需要對(duì)控制環(huán)路加入補(bǔ)償,，以提高系統(tǒng)的相對(duì)穩(wěn)定性，增強(qiáng)系統(tǒng)的魯棒性,。

2.3 環(huán)路補(bǔ)償設(shè)計(jì)

    環(huán)路補(bǔ)償^[6-7]作為控制系統(tǒng)中改善系統(tǒng)靜態(tài)和動(dòng)態(tài)特性的重要組成部分,，對(duì)系統(tǒng)的輸出精度、電壓調(diào)整率,、頻帶寬度以及暫態(tài)響應(yīng)均會(huì)產(chǎn)生影響,。合適的補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)對(duì)控制器性能的改善有著重要的促進(jìn)作用。通常,，通過添加補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)使閉環(huán)控制系統(tǒng)的相位裕量和增益裕量為45°和10 dB左右,，以減小系統(tǒng)超調(diào)和調(diào)節(jié)時(shí)間,，同時(shí)提高系統(tǒng)的魯棒性。圖4為采用運(yùn)算放大器構(gòu)建的有源超前-滯后補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò),。

    補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)的傳遞函數(shù)為：

    圖5為添加補(bǔ)償后系統(tǒng)傳遞函數(shù)G(s)的穩(wěn)定性分析曲線,。可以看到補(bǔ)償后系統(tǒng)的穩(wěn)定性得到了加強(qiáng),。

3 功能電路設(shè)計(jì)與軟啟動(dòng)控制

3.1 Buck變換器硬件電路及工作原理

    Buck變換器的設(shè)計(jì)主要包含PWM控制器外圍電路,、電壓、電流雙閉環(huán)控制以及環(huán)路補(bǔ)償設(shè)計(jì),。圖6為采用TL494的Buck電路^[8]主控制電路,。V_DTC通過DAC輸出控制PWM死區(qū)時(shí)間，用以實(shí)現(xiàn)Buck變換器的啟停調(diào)節(jié)與軟啟動(dòng),；I_SENSE為電流反饋信號(hào),；LM358、AD822與外部電阻電容構(gòu)建電壓反饋補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò),，實(shí)現(xiàn)控制回路的反饋補(bǔ)償,。

3.2 軟啟動(dòng)控制

    DC/DC變換器在開機(jī)瞬間會(huì)產(chǎn)生浪涌電流，需要對(duì)電路進(jìn)行軟啟動(dòng)^[9]設(shè)置,。

    本文利用PWM控制芯片TL494存在PWM輸出死區(qū)時(shí)間控制引腳的優(yōu)點(diǎn),，通過軟件可編程控制的DAC模塊AD5663輸出軟啟動(dòng)控制電平,，對(duì)PWM輸出最大占空比進(jìn)行限制,，以抑制開關(guān)管峰值電流的增長速率，即：

4 仿真分析與實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

    為了對(duì)上述Buck變換器設(shè)計(jì)的理論分析進(jìn)行驗(yàn)證,，采用Saber軟件仿真與樣機(jī)制作進(jìn)行實(shí)驗(yàn)測試,。

4.1 Saber軟件仿真分析

    根據(jù)圖6中Buck電路控制器原理圖設(shè)計(jì)，采用Saber軟件進(jìn)行仿真分析,。依次測試Buck變換器在不同負(fù)載條件下的輸出電壓與反饋補(bǔ)償環(huán)路輸出電壓的變化情況如圖7所示,。圖中U₁為Buck變換器的輸出電壓V_o，U₂為反饋補(bǔ)償環(huán)路輸出電壓V_comp波形,。

    圖7的仿真結(jié)果顯示,，改變參考電位V_SET，Buck變換器的輸出電壓V_o隨之線性變化,，達(dá)到了預(yù)期直流調(diào)壓的要求,。所設(shè)計(jì)的寬范圍直流調(diào)壓電路在輕載、滿載以及負(fù)載突變的情況下,，其輸出電壓的范圍廣度,、穩(wěn)定性、調(diào)節(jié)線性度以及負(fù)載調(diào)整率均達(dá)到了設(shè)計(jì)要求,，理論上證實(shí)了設(shè)計(jì)的合理性,。

4.2 實(shí)驗(yàn)測試與結(jié)果分析

    根據(jù)理論與仿真分析的結(jié)果,，通過研制一臺(tái)樣機(jī)，對(duì)其工作特性進(jìn)行測試,，得到如圖8所示的Buck變換器的輸出電壓與PWM波形,。

    圖8中設(shè)定Buck變換器參考電位的不同，PWM控制器均能根據(jù)反饋控制環(huán)路輸出電壓的變化快速實(shí)現(xiàn)輸出電壓對(duì)設(shè)定電壓的跟蹤效果,，使得調(diào)壓輸出保持穩(wěn)定,。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：根據(jù)前述Buck變換器理論模型的建立與Saber軟件模型的仿真與分析結(jié)果，設(shè)計(jì)應(yīng)用于高壓電源的前級(jí)預(yù)調(diào)壓電路,，能夠很好地滿足高壓電源寬范圍連續(xù)可調(diào)的需求,，同時(shí)保證了電源輸出的安全性與穩(wěn)定性。

5 結(jié)論

    針對(duì)應(yīng)用于電力電纜故障檢測的可調(diào)高壓電源設(shè)計(jì),，研制了具有軌到軌輸出特性的單級(jí)Buck變換器,，實(shí)現(xiàn)220V市電輸入，10～300 V/20 A連續(xù)可調(diào)輸出的Buck變換器設(shè)計(jì),，將其作為全橋變換器前級(jí)預(yù)調(diào)壓,，再通過高頻升壓變壓器升壓，有效保證了高壓電源寬范圍連續(xù)可調(diào)輸出的安全性與穩(wěn)定性,。

    本文詳細(xì)闡述了Buck變換器統(tǒng)一電路模型分析以及Buck變換器的控制環(huán)路補(bǔ)償分析與設(shè)計(jì),，采用軟硬件協(xié)作的方式實(shí)現(xiàn)了Buck變換器在啟動(dòng)、空載,、輕載,、重載以及負(fù)載突變時(shí)的穩(wěn)定工作。由于輸出電壓調(diào)節(jié)的廣度,，該設(shè)計(jì)既為可調(diào)高壓電源的設(shè)計(jì)提供了良好的解決方案,，同時(shí)，也可應(yīng)用于大部分的低壓直流設(shè)備的供電,，因此具有廣闊的應(yīng)用前景,。

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作者信息：

湯健強(qiáng),，周鳳星，梅鳴陽

（武漢科技大學(xué) 信息科學(xué)與工程學(xué)院,，湖北 武漢430081）