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全桥DCDC变换器平均电流控制模式控制分析

作者:angelazhang时间:2016-02-10

作为一种在电源转换、变电通讯、电动汽车等领域应用广泛的电子元件,DC-DC变换器的身影随处可见,其多样性的架构模式可以满足不同的应用需要。为了方便各位新人工程师的借鉴学习,今天我们将会就一张大功率输出的全桥型DC-DC变换器的平均电流控制模式,展开简要分析和介绍。

在本文的介绍中,我们以一种电流模式控制带有倍流整流电路的大电流输出全桥DC-DC变换器为例子进行简析,该种变换器的电路拓扑如下图图1所示。

图1 电流模式控制倍流整流全桥DC-DC变换器

从图1中所展示的电路拓扑结构中我们可以看到,在这种DC-DC变换器的系统中,电流控制模式的采用保证了两个输出滤波电感上的电流平衡。内部电流环调节滤波电感的电流,外部电压环调节输出电压,在工作在电流调节模式的应用中,内部电流环是唯一起作用的控制环路。图1所示倍流整流电路可以看作两个buck变换器的并联。在分析中与两个并联的buck变换器不同的一点是两个输出电感共用一个输出滤波电容,这一点在设计分析控制环路时必须加以考虑。

在平时的新产品研发设计过程中,平均电流模式控制技术多被应用在这种全桥结构的DC-DC变换器中,它能够精确的控制平均输出电流。且相比峰值电流模式控制,平均电流模式具有更强的抗噪声干扰能力,因此很适合应用于需要限制输出电流的变换器。在平均电流模式控制中,电流采样可以是在隔离变压器的原边或者副边,在原边采样时需要考虑输出电流的斜坡误差。而在副边采样时,能够精确的测量平均输出电流,但是不能保证隔离变压器的磁通平衡,需要加一个隔直电容来确保磁通平衡。图1所示就是一个副边取样的平均电流模式控制变换器原理图,在这个电路中,采用了一个隔直电容(Cb)来防止磁通失衡。下面将用一个如图2所示的简化的PWM开关小信号模型,来分析电流模式控制开关变换器。


图2 PWM开关模型

在图2所展示的PWM开关模型中我们可以看到,在这种开关系统中d为D的扰动量,各大写电压、电流符号表示稳态分量,小写电压、电流符号表示瞬态分量。当d=0时,有下列公式:



在这里需要说明的一点是,因为这种全桥型的大功率输出DC-DC变换器本身的输出电流等于两个输出滤波电感的电流,因此系统可以简化为两个并联的Buck变换器。另外,由于两个输出滤波电感的电流并不是独立调节的,因此,系统的小信号模型可以简化为一个平均电流模式控制的BUCK变换器,其输出滤波电感即为原来两个电感的并联。

因此可以得出一个结论,那就是在这种大功率输出的变换器系统中,虽然每个电感的电流不是分别调节的,他们之间的平均电流的任何差别都会被输入隔直电容所平衡,这个电容保证了隔离变压器的零网络直流磁通,这样使得两个电感电流相等。需要注意的是,合成系统的开关频率是异相的两个滤波电感电流开关频率的两倍输出倍频。利用PWM开关模型,假定变压器是理想的,则变换器的等效小信号模型如下图图3所示:


图3 变换器的小信号模型

在图3所展示的这种模拟大功率输出全桥DC-DC变换器小信号模型系统中,Rs是采样电阻,He(s)是取样增益,Fm是调节增益,Gc(s)是补偿网络传递函数。则在该系统中,采样增益和调节增益定义为:


其中:

在图3所展示的小信号模型中,当其处于平均电流模式控制中时,通常会采用超前滞后补偿网络,其传递函数可以表达为:

为了保证这种系统控制的稳定性,其零点需要配置在电流环的功率级滤波频率之前,这样补偿网络的相移会在开关频率一半处被零点抵消。极点通常配置在高于开关频率的一半处,以保证增益和消除高频噪声干扰。另外这样的极点配置,最大限度的减小了电流环的互扰。由图2和图3所提供的开关模型和小信号模型结构图,根据变压器初、次级两侧回路电压方程,可得出公式:

通过以上的分析可以给出电流环的开环传递函数如下:

下图中,图4所展示的DC-DC变换器的平均电流模式控制的闭环传递函数。由图4可知,在平均电流模式控制中通过设计合适的补偿网络,电流环就就可以达到稳定,不需要斜坡补偿。如图4所示电流环的增益裕度为13.5dB,相位裕度为67.7o。电流环的带宽是10KHz。

图4 平均电流模式控制的闭环传递函数

图5 平均电流模式控制的系统闭环传递函数

相应的,其系统闭环传递函数如图5所示,其输出电流阶跃响应曲线如下图图6所示。

图6 平均电流模式控制的输出电流阶跃响应

由上图图6所展示的平均电流模式控制的输出电流阶跃响应曲线可知,在输出电流上冲很小(5%),系统在0.3ms达到稳态,达到了较好的控制效果。为了检验分析的结果,在PSPICE中进行了仿真,在这个仿真中,系统看作两个具有单输出电流环的Buck变换器的并联。合成的电流环传递函数如图7所示,DC-DC变换器的阶跃响应曲线如图8所示。从图中可以清楚地看到仿真的结果很好的符合了以上分析的结论。


图7 平均电流模式的闭环传递函数

图8 平均电流模式控制的输出电流阶跃响应

 

通过对模型的建立和仿真分析,我们分析了一种大功率输出的全桥DC-DC变换器的平均电流控制模式运行情况。相比全桥和电感中心抽头整流电路,倍流整流电路的应用降低了变压器副边的电流,更适合于大电流的应用。另一方面,系统可以模拟为两个Buck变换器的并联;在平均电流模式控制中,两个电感可以简化为一个工作于两倍开关频率的一个电感,加入超前滞后网络可以保证电流环的稳定。


关键词: DCDC 变换器

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