兩級(jí)寬輸入DC/DC變換器設(shè)計(jì)與建模分析
摘要:寬輸入DC/DC變換器功率器件承受電壓應(yīng)力變化范圍大,增加了電路損耗,減小了使用壽命。兩級(jí)式變換器能夠減小電路中功率器件的電壓應(yīng)力,但控制較為復(fù)雜。此處研究了一種電流控制型雙Buck級(jí)聯(lián)形式的寬輸入開關(guān)電源,僅對(duì)后級(jí)電路進(jìn)行閉環(huán)控制,簡(jiǎn)化了控制,有效減小了電路體積。建立了電路傳遞函數(shù)模型,討論了電路的穩(wěn)態(tài)特性及動(dòng)態(tài)特性,進(jìn)行了電路的穩(wěn)定性分析,并通過(guò)仿真與實(shí)驗(yàn)分析,證明了電路具有良好的動(dòng)態(tài)性能和輸出穩(wěn)定性,從而驗(yàn)證了設(shè)計(jì)方案的可行性。
關(guān)鍵詞:變換器;寬輸入;開關(guān)電源;傳遞函數(shù)
1 引言
隨著開關(guān)電源在各行業(yè)的廣泛應(yīng)用,對(duì)DC/DC變換器的需求已經(jīng)成為衡量經(jīng)濟(jì)發(fā)展的一個(gè)標(biāo)識(shí)。對(duì)于單級(jí)變換器而言,由于輸出電壓一定,在不同輸入電壓情況下電路中半導(dǎo)體器件兩端的脈寬波形具有很大差異。輸入電壓越高,開關(guān)管導(dǎo)通時(shí)間越短,其在關(guān)斷期間承受的電壓越高,而電路中的整流二極管則會(huì)在開關(guān)管導(dǎo)通期間承受高壓窄脈沖,流過(guò)開關(guān)器件的電流平均值不變,有效值增加,導(dǎo)致開關(guān)管、整流管、濾波電容及其他器件的溫度急劇上升,開關(guān)管導(dǎo)通損耗大,變換器效率下降,甚至引起永久性損壞。而兩級(jí)式DC/DC變換器各級(jí)的輸入、輸出電壓之差都小于單級(jí)DC/DC變換器的輸入、輸出電壓之差,能夠減輕單級(jí)變換器在寬電壓范圍工作時(shí)所承受的負(fù)擔(dān),大大增強(qiáng)了其對(duì)寬范圍電壓輸入的適應(yīng)能力。然而兩級(jí)式變換器體積大,控制較為復(fù)雜,且電路的穩(wěn)定性較差。
此處設(shè)計(jì)的兩級(jí)Buck寬輸入DC/DC變換器具有兩級(jí)式變換器的優(yōu)點(diǎn),減小了輸出電流較大時(shí)功率器件的開關(guān)損耗。采取了前級(jí)開環(huán)、后級(jí)閉環(huán)的控制策略,并通過(guò)補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)提高了系統(tǒng)的穩(wěn)定性。變換器具有效率高、控制簡(jiǎn)單、系統(tǒng)穩(wěn)定性高、適應(yīng)輸入電壓范圍寬等優(yōu)點(diǎn)。
2 寬輸入變換器拓?fù)浣榻B
雙Buck級(jí)聯(lián)寬輸入DC/DC變換器主電路拓?fù)淙鐖D1所示,滿載時(shí)變換器工作在持續(xù)電流模式下,輸入電壓范圍為19~150 V,閉環(huán)工作時(shí)輸出電壓為30 V,最大輸出功率為500 W。
Uin,Ug,Uo為變換器的輸入電壓、前級(jí)Buck電路輸出電壓和變換器的輸出電壓,VS1和VS2,VD1和VD2,L1和L2為前、后級(jí)Buck電路的開關(guān)功率管、續(xù)流二極管和電感,iL1和iL2為流過(guò)L1和L2的電流,Ro為等效負(fù)載電阻,Io為負(fù)載電流。Gvd1(s),Gvd2(s)分別為前、后級(jí)電路的控制,輸出傳遞函數(shù),Gm(s)為PWM傳遞函數(shù),Gc(s)為電壓控制器傳遞函數(shù),H(s)為電壓采樣網(wǎng)絡(luò)傳遞函數(shù),D1為前級(jí)占空比。
電路在不同輸入電壓范圍下的工作情況如表1所示。在30~75 V電壓范圍內(nèi),僅后級(jí)Buck電路工作,此時(shí)輸出功率Po=500 W,Uin=Ug,Uo=30 V,VS2占空比D2為0.4~1,開關(guān)頻率fs2=100 kHz,最大輸出電流Iomax=Po/Uo=16.7A。
評(píng)論