有源鉗位推挽變換器控制策略的研究

朱景全，李 媛

(商丘師范學院，河南 商丘 476000)

1 問題的提出

隨著科技與社會的發展，人們對各種電氣設備的要求也越來越高.推挽電路由于其簡單的結構，被廣泛引用于逆變器，UPS等諸多領域.然而由于開關管關斷時，漏磁能量會在開關管上引起一個較大的電壓尖峰，以及在能量傳遞的一個周期內功率器件開關變換饋能不平衡導致能量伏秒面積不等引起的變壓器的偏磁問題[1]15-18，推挽電路的使用受到了一定的限制.隨著有源鉗位推挽變換器的提出，電壓尖峰問題得到了很大的改善，經實驗驗證其能有效地解決常規變換器效率低下、變壓器漏磁的問題[2]60-63.有源鉗位推挽變換器拓撲結構圖如圖1所示：

本文針對有源鉗位推挽變換器，使用基于PI調節的電壓負反饋進行控制.這種控制方法實現簡單，處理迅速，可以很好地控制有源鉗位推挽變換器穩定工作，且有效地降低了漏磁能量在開關管上引起的電壓尖峰.

2 有源鉗位推挽變換器控制策略

2.1 推挽變換器的數學模型

由于PWM控制的推挽電路非線性很強，故而使用電路的動態特性來分析非常困難.一般對DC/DC變換器的建模方法主要有數字仿真法與解析建模法.數字仿真法使用數學算法求得DC/DC變換器中所需的數字解，雖然精度高，但不易與其電路意義聯系起來[3].解析建模法使用解析表達式求解，雖然電路意義明確，但是使用困難.故此處選用狀態空間平均法對推挽電路進行分析. 推挽變換器拓撲結構圖如圖2所示：

圖1 有源鉗位推挽變換器拓撲結構圖

圖2 推挽變換器拓撲結構圖

狀態平均法從DC/DC變換器的狀態空間方程出發，通過平均、小信號擾動[4]53-55、線性化處理得到數學模型以及電路模型.這種方法電路意義明確，并且方便進行進一步的分析.

給推挽電路限定4個假設條件：變壓器原邊的兩個開關管與副邊的整流二極管均為理想開關；整流濾波器的頻率遠遠低于開關管的開關頻率；動態擾動信號的頻率也遠遠低于開關管的開關頻率；擾動信號的幅值遠遠低于穩態值.這樣，就可以得到推挽電路的動態小信號模型，如圖3所示，本文只討論電感電流連續的情況[5]957-961.

對小信號模型使用狀態空間平均法，得到推挽變換器的數學模型如式(1)、(2)：

(1)

(2)

2.2 基于PI調節的電壓負反饋控制策略

由推挽變換器的數學模型可得輸出電壓與輸入電壓之間的關系Vo=2ndVs.將脈沖寬度調制器的傳遞函數近似為一個比例系數為1/Vm的比例環節，使用電壓反饋，且反饋系數設置為β.此電壓負反饋的推挽變換器控制結構框圖如圖4所示：

圖3 推挽電路的動態小信號模型

圖4 推挽變換器的電壓閉環控制結構框圖

在閉環系統中添加比例積分(PI)環節，可以提高系統穩定性，保證系統精度，提高系統抗干擾能力.PI環節中的比例環節可以提高系統跟蹤誤差的快速性，同時積分環節可以降低系統誤差.PI調節發展成熟，實現簡單，調節好PI參數既可以保證系統穩態精度，又可以保證動態響應的迅速性.

PI環節的傳遞函數的一般模型式(3)：

(3)

其中：Kp為PI環節的比例系數，Ti為PI環節的積分時間常數.

對于PI調節中的參數，Kp越大，系統響應速度越快，但是系統超調量也會增大，若此參數過大，則會引起系統的不穩定.積分環節的參數選取不當也會給系統穩定性，系統跟蹤的快速性等帶來不利的影響.故而要使PI調節器有效地工作，必須要合理地對PI參數進行整定.

在工程應用中通常使用二階工程設計法來整定PI調節器的參數，并進行一定的優化.二階工程設計法的基本思想是根據已知系統的被控對象傳遞函數，與所希望得到了系統開環傳遞函數進行對比，以此確定PI參數.

二階系統的閉環傳遞函數一般如式(4)：

(4)

(5)

令系統的開環傳遞函數為Φ0(s)，則可得系統開環傳遞函數與閉環傳遞函數的關系如下：

Φ(s)=Φ0(s)/[1+Φ0(s)]

(6)

根據式(6)可得二階系統的理想開環傳遞函數的表達式：

(7)

根據理想開環傳遞函數表達式，用二階工程設計法的思想，設計出PI調節器的最優參數.

此經過優化的PI調節器不僅結構簡單，精度高，穩定性好，而且對某些傳感器或其他執行機構產生的延時做了彌補，使系統的輸出能更快更好地跟蹤給定信號.

3 仿真研究

根據上述的有源鉗位推挽變換器的拓撲結構圖，在simulink中搭建仿真模型如圖5所示：

圖5 有源鉗位推挽變換器PI控制仿真模型

圖中，Q1、Q2管為推挽電路的主開關管，Q3管為有源鉗位管.輸出電壓反饋到控制單元，根據既定的控制策略向三個開關管發出PWM信號，控制其開通與關斷以達到推挽升壓同時去除開光管上的電壓尖峰.

對該模型進行仿真分析，得開關管Q2兩端電壓如圖6所示：

而對于普通推挽電路，Q2兩端的電壓波形如圖7所示：

圖6 有源鉗位推挽變換器PI控制Q2管兩端電壓

圖7 普通推挽變換器Q2管兩端電壓

圖8 有源鉗位推挽變換器主電路圖

由此可見，使用基于PI的電壓負反饋控制的有源鉗位推挽變換器可以有效地消除開關管Q1、Q2兩端電壓中的尖峰，保證了開關管的長期穩定運行.

4 實驗研究

4.1 實驗平臺的構成

搭建有源鉗位推挽升壓變換器的主電路如圖8所示：

其中，Q6、Q7作為推挽電路的兩個開關管，二極管D5、D6以及Q8構成了有源鉗位通路.二極管D7、D8、D9、D10作為整流二極管工作，電感L3與電容E7，E8分別構成了輸入濾波電路與輸出濾波電路.

電路工作時，蓄電池的電能經過輸入濾波電路加到推挽變壓器的3、4引腳上，Q6導通時，變壓器原邊向副邊饋能.當Q6關斷且Q7未導通時，Q8管導通，形成通路，給變壓器的漏感放電.而在Q7導通時，給Q8施加關斷信號，重復以上工作循環.

軟件控制框圖如下圖9：

圖9 有源鉗位推挽變換器軟件PI控制框圖

4.2 實驗結果及分析

使用上面搭建的實驗平臺進行實驗，用示波器觀測開關管Q7兩端的電壓，得出實驗波形如圖10：

圖10 示波器觀察出的開關管Q7兩端電壓波形

5 結論

推挽變換器的應用越來越廣泛，然而其漏感在開關管上引起的電壓尖峰卻限制了推挽變換器的發展.有源鉗位推挽變換器則很好地彌補了這一點，與無源鉗位電路將漏感中的能量通過電阻發熱的形式吸收相比較，保證了系統的變換效率.本文通過對推挽變換器的數學模型進行分析，確立了基于PI調節的電壓負反饋控制策略，結合二階工程設計法對PI參數進行整定與優化，保證了系統穩定高效地運行.經過仿真與實驗的驗證，本文的控制策略可以有效地減小變壓器漏感引起開光管電壓尖峰，并使推挽變換器穩定可靠運行.

參考文獻：

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[2] 李康藝，王興蔚.單輸出有源鉗位正激DCDC變換器設計[J].磁性材料及器件，2010(10).

[3] 劉三山.基于MPPT的離網光伏發電系統的設計[D].合肥：合肥工業大學，2013.

[4] 劉偉晗, 王 琪, 龔春英. 雙環控制型推挽正激DC- DC變換器的小信號建模[J] . 電源世界, 2005(9).

[5] 張 興，馬先奎，張崇巍.推挽式DC、DC開關電源的設計與校正[J].合肥工業大學學報，2000(12).