SEPIC電路環路補償研究

韓冬

【摘 要】SEPIC電路具有效率高、輸出升降壓、開關停止停振等優點，本文在分析SEPIC電路基本原理的基礎上，利用電源環路控制理論，介紹了一種SEPIC轉換器環路補償參數的設計方法，通過實驗得出設計的SEPIC電路完全滿足性能指標，動態性能良好，驗證了理論設計的正確性。

【關鍵詞】SEPIC；環路補償；環路控制；直流-直流變換器

0 引言

隨著能源短缺、環境污染等問題日益嚴重，電動汽車作為一種安全、經濟、清潔的綠色交通工具，在能源、環境方面有其獨特的優越性和競爭力，因而具有廣闊的發展前景。

電動汽車驅動系統作為唯一的動力裝置，由電機和控制器組成。控制器主要由功率模塊和控制模塊構成。不管是功率模塊還是控制模塊，其有源器件的電源一般來自直流電源或電池，這就需要廣泛使用DC-DC 轉換器。在DC-DC轉換器中，Buck-Boost，Cuk，SEPIC轉換器都能滿足升降壓的要求。但是經過Buck-Boost和Cuk轉換器變換后的輸出電壓與輸入電壓的極性是相反的。這個問題一方面雖然能通過在電路中加一個隔離變壓器來修正，但是不可避免地會增加轉換器的體積和成本；另一方面，由于SEPIC既能夠工作在升壓和降壓模式，又不會有極性相反的問題。對于這樣的應用，SEPIC轉換器無疑是一種理想的選擇。

SEPIC電源轉換電路作為一種開關模式的功率轉換器，控制方法采用脈寬調制技術（PWM），通過閉環負反饋來改善開環系統的響應，達到期望的電源調整率、負載調整率及動態響應等要求。由于環路設計受到輸入電源、輸出負載和溫度等因素的影響，工作過程中可能產生自激振蕩或者寄生振蕩，影響整個電源的工作，因此其設計對于SEPIC電源的穩定性起著決定性的作用。在反饋環路控制的設計中， 由于涉及到多種電路原理， 需要大量復雜的數學推導。為簡化設計， 可采用波特圖的方法完成補償參數設計。

本文以分塊電路介紹環路參數的設計方法，利用波特圖，為設計者選擇元件參數提供依據， 通過實驗調試進行適當調整， 可達到最佳的控制效果。

1 電源環路控制理論

圖1為一個典型的SEPIC轉換器負反饋閉環調節系統。雖然脈寬調制電路包含誤差放大、PWM形成電路外還具備許多輔助功能， 但對于閉環穩定性問題， 僅需考慮誤差放大器和PWM電路。對于輸出電壓Vo緩慢或直流變化，圖1的負反饋電路是穩定的。但在環路內， 對于動態變化的情況下，存在低電平噪聲電壓和含有豐富連續頻譜的瞬態電壓。這些分量通過輸出LC濾波器、誤差放大器和Vea到Vy的PWM調節器會引起增益改變和相移。噪聲干擾諧波分量中的任意一個分量，其增益和相移發生變化時都可能導致正反饋，并因此引起振蕩。因此，SEPIC電源轉換電路的環路補償是非常必要的。

SEPIC轉換器是一種四階的高度非線性系統，具有復雜的頻率特性，工作過程中極易產生自激振蕩或者寄生振蕩。本文根據經典控制理論中的頻率穩定判據，利用波特圖，判定SEPIC控制系統的穩定性并確定補償電路的參數。

2 SEPIC電路頻率特性

控制環路有兩部分組成，第一部分是電源級，由脈沖寬度調制器、輸出濾波器、電流感測電路和負載組成。第二部分是誤差放大器，這是將運放配置成一個反相放大器組態來實現的。控制環路補償的一種通用方法是為電源級和誤差放大器創建增益和相位的波特圖。

SEPIC轉換器不含反饋回路時是一種系統，峰值電流模式SEPIC轉換器由直流增益、一個負載極點、ESR零點、一個右半平面零點和峰值電感電流的采樣產生的一個雙重極點組成。電流感測電路被當作一個直流增益，并包含在APS的表達式中。

負載極點會造成低頻處增益以-20dB/十倍頻程產生滑降。右半平面零點和采樣雙重極點的結合可維持斜率超出開關頻率之外。相位在低頻處趨向于-90°，但接著會增加至-180°，并會超出RHP零點和采樣雙重極點。可以不觀察ESR零點的影響，因為其頻率一般位于開關頻率之上的幾個十倍頻程處。

采用誤差放大器實現補償，并提供高直流增益（為輸出精度）和高相位裕度（為控制環路穩定性）。將誤差放大器作為帶輸入阻抗ZI和反饋阻抗ZF的反相運算放大器，能夠推導出補償模塊的傳遞函數GEA。

4 結論

本文分析了SEPIC電源系統的頻率特性，通過串聯反饋校正，實現了整個系統的穩定收斂，最后通過測試實驗驗證了該方法的正確性。

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[責任編輯：王偉平]