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用于電力電網(wǎng),、通信,、環(huán)境以及航空航天等諸多領域^[1-2]。在電力電纜故障點的快速定位中,，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責向故障電纜提供一定能量的脈沖激勵信號，由接收機對回波信號進行分析和處理,，得出故障點的位置信息,。然而，地下電纜的長度,、規(guī)格型號、耐壓等級在不同的使用環(huán)境中需求各異,，所以要求檢測設備中高壓電源的輸出電壓應能根據(jù)需要調(diào)節(jié)到適和電纜故障點定位需求的幅值,，從而適應電纜的耐壓等級，避免故障電纜二次擊穿現(xiàn)象的發(fā)生,。

    根據(jù)應用需求,，本文設計了一種軌到軌可調(diào)輸出單級Buck變換器^[3]，通過對全橋變換器直流母線輸入電壓進行前級預調(diào)壓,，然后經(jīng)全橋逆變升壓輸出,，從而實現(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變換器的電路拓撲結(jié)構(gòu)與統(tǒng)一電路模型^[4-5]如圖1所示，Q為功率開關管,，VD為續(xù)流二極管,，L為濾波電感，C為濾波電容,，R為負載電阻,，V_g為輸入電壓，V_o為輸出電壓,，i_L為電感電流,，u為開關管控制信號。

    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變換器反饋補償控制器設計

    根據(jù)式(1),、式(2)可知,，Buck變換器的輸出受到占空比D和負載R的影響。因此需要進行閉環(huán)反饋補償控制,，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)設計

    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,，假定負載為純電阻：R≥15 Ω,。

2.2 閉環(huán)穩(wěn)定性分析

    假設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)絡的傳遞函數(shù)；G_c(s)為補償網(wǎng)絡的傳遞函數(shù),，則具有閉環(huán)反饋補償控制的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)的極點分布以及幅相曲線的特點可知該系統(tǒng)是穩(wěn)定的，但是其相對穩(wěn)定性較低,。

    系統(tǒng)的相對穩(wěn)定性主要體現(xiàn)在相位裕量和增益裕量兩個方面,。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，需要對控制環(huán)路加入補償,，以提高系統(tǒng)的相對穩(wěn)定性,，增強系統(tǒng)的魯棒性。

2.3 環(huán)路補償設計

    環(huán)路補償^[6-7]作為控制系統(tǒng)中改善系統(tǒng)靜態(tài)和動態(tài)特性的重要組成部分,，對系統(tǒng)的輸出精度,、電壓調(diào)整率、頻帶寬度以及暫態(tài)響應均會產(chǎn)生影響,。合適的補償網(wǎng)絡設計對控制器性能的改善有著重要的促進作用,。通常，通過添加補償網(wǎng)絡使閉環(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)時間,，同時提高系統(tǒng)的魯棒性。圖4為采用運算放大器構(gòu)建的有源超前-滯后補償網(wǎng)絡,。

    補償網(wǎng)絡的傳遞函數(shù)為：

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

3 功能電路設計與軟啟動控制

3.1 Buck變換器硬件電路及工作原理

    Buck變換器的設計主要包含PWM控制器外圍電路,、電壓、電流雙閉環(huán)控制以及環(huán)路補償設計,。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)時間，用以實現(xiàn)Buck變換器的啟停調(diào)節(jié)與軟啟動,；I_SENSE為電流反饋信號,；LM358、AD822與外部電阻電容構(gòu)建電壓反饋補償網(wǎng)絡,，實現(xiàn)控制回路的反饋補償,。

3.2 軟啟動控制

    DC/DC變換器在開機瞬間會產(chǎn)生浪涌電流，需要對電路進行軟啟動^[9]設置,。

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

4 仿真分析與實驗驗證

    為了對上述Buck變換器設計的理論分析進行驗證，采用Saber軟件仿真與樣機制作進行實驗測試,。

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計,，采用Saber軟件進行仿真分析。依次測試Buck變換器在不同負載條件下的輸出電壓與反饋補償環(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，達到了預期直流調(diào)壓的要求,。所設計的寬范圍直流調(diào)壓電路在輕載,、滿載以及負載突變的情況下，其輸出電壓的范圍廣度,、穩(wěn)定性,、調(diào)節(jié)線性度以及負載調(diào)整率均達到了設計要求，理論上證實了設計的合理性,。

4.2 實驗測試與結(jié)果分析

    根據(jù)理論與仿真分析的結(jié)果,，通過研制一臺樣機，對其工作特性進行測試,，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現(xiàn)輸出電壓對設定電壓的跟蹤效果,，使得調(diào)壓輸出保持穩(wěn)定,。實驗結(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，設計應用于高壓電源的前級預調(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,，同時保證了電源輸出的安全性與穩(wěn)定性。

5 結(jié)論

    針對應用于電力電纜故障檢測的可調(diào)高壓電源設計,，研制了具有軌到軌輸出特性的單級Buck變換器,，實現(xiàn)220V市電輸入，10～300 V/20 A連續(xù)可調(diào)輸出的Buck變換器設計,，將其作為全橋變換器前級預調(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)路補償分析與設計,，采用軟硬件協(xié)作的方式實現(xiàn)了Buck變換器在啟動、空載,、輕載,、重載以及負載突變時的穩(wěn)定工作,。由于輸出電壓調(diào)節(jié)的廣度，該設計既為可調(diào)高壓電源的設計提供了良好的解決方案,，同時,，也可應用于大部分的低壓直流設備的供電，因此具有廣闊的應用前景,。

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作者信息：

湯健強，周鳳星,，梅鳴陽

（武漢科技大學 信息科學與工程學院,，湖北 武漢430081）