數(shù)字化軟開關(guān)電源的Matlab仿真研究

吳思燕

（國網(wǎng)湖北省電力公司 咸豐縣供電公司，湖北 咸豐 445600）

0 引言

現(xiàn)代電源不斷尋求小型化、輕量化，這就要求DC/DC變換器向高頻化的方向發(fā)展，需要解決開關(guān)損耗和開關(guān)噪音的問題。零電壓零電流開關(guān)（ZVZCS）移相全橋變換器實現(xiàn)了開關(guān)管的零電壓零電流導(dǎo)通過程，降低了開關(guān)損耗和噪聲，提高變換器的效率[1]。隨著微處理器計算速度和性能的提升，以及數(shù)字信號處理技術(shù)日趨成熟，DSP芯片在開關(guān)電源領(lǐng)域的應(yīng)用更加廣泛，顯示出越來越多的優(yōu)點。同時高頻開關(guān)數(shù)字控制的研究，特別是開關(guān)電源的小型化、模塊化以及數(shù)字化，將不斷擴展數(shù)字信號處理技術(shù)的應(yīng)用研究。

1 移相全橋軟開關(guān)變換器原理分析

1.1 基于DSP控制的移相全橋變換器的主拓撲結(jié)構(gòu)和工作過程

在一般的全橋式DC/DC變換器中，VT1和VT4的控制信號是同相位的，VT2和VT3的控制信號是同相位的，在如圖1所示的移相全橋ZVZCVS變換器[2]中，VT1、VT2分別超前VT4、VT3一個相位角，所以VT1、VT2構(gòu)成的橋臂稱超前橋臂，VT4、VT3構(gòu)成的橋臂稱滯后橋臂。可以通過調(diào)節(jié)超前橋臂和滯后橋臂控制信號的相位關(guān)系[3]，從而可以調(diào)節(jié)輸出電壓的大小。

移相全橋ZVZCS變換器的主電路結(jié)構(gòu)如圖1所示。D1—D4為快恢復(fù)二極管，C1，C2為開關(guān)觀VT1，VT2的結(jié)電容。Cb為隔離電容（也稱阻斷電容），Lr為飽和電抗器。

圖1 變換器主電路

圖2 數(shù)字DSP控制的移相全橋變換器系統(tǒng)仿真模型

在每個工作半周期間，移相全橋ZVZCS變換器有六種開關(guān)模態(tài)，六種開關(guān)模態(tài)的原理不在這里贅述。每個橋臂的開關(guān)(超前橋臂VT1、VT2和滯后橋臂VT3、VT4)具有接近50%的占空比交錯通斷，兩個橋臂之間的相移決定變換器的工作占空比（相對占空比）。

圖3 開環(huán)仿真圖

圖4 輸入310V,定負載下輸出電壓，電流波形以及移相角變化（弧度制）

1.2 移相角生成策略

DSP實現(xiàn)：在ZVZCS全橋變換器的移相控制策略中，需要四對獨立的驅(qū)動信號，并滿足上下橋壁兩管的驅(qū)動波形180°互補，四路驅(qū)動波形占空比大小固定，對角超前臂功率管的驅(qū)動信號領(lǐng)先滯后橋臂功率信號一個移相角α，移相角大小范圍0—180°[3]，在系統(tǒng)閉環(huán)調(diào)節(jié)過程中實現(xiàn)動態(tài)調(diào)節(jié)。VT1—VT4管的驅(qū)動可以利用PWM1—PWM4四個通道，即配置PWM1，PWM2為互補通道對，驅(qū)動超前臂，配置PWM3，PWM4為互補通道對，驅(qū)動滯后臂。采用半周期重載中斷，保證輸出占比大小不變同時移相，設(shè)前半周期比較寄存器CMPR設(shè)定值為V1，后半周期比較寄存器CMPR設(shè)定值改為V2，保持(V1+V2)/2為常數(shù)即可。改變V1的值就可改變PWM波的相位，即相對占空比發(fā)生變化，動態(tài)調(diào)節(jié)輸出電壓[3-4]的大小。

Matlab實現(xiàn)：通過比較延時環(huán)節(jié)作用下在輸入ln1改變的情況下動態(tài)實現(xiàn) 0—180°（pi）移相。

1.3 數(shù)字DSP控制的移相全橋變換器系統(tǒng)（DSP實現(xiàn)）

解決了移相生成角后，再根據(jù)反饋的輸出電壓、原邊電感電流的采樣值動態(tài)調(diào)節(jié)電壓外環(huán)和電流內(nèi)環(huán)的輸出，實現(xiàn)穩(wěn)壓，以實現(xiàn)DSP的功能，即DSP控制移相全橋變換器。PI調(diào)節(jié)器是人們長期在實踐中摸索出來的一種結(jié)構(gòu)簡單實用性極強的校正裝置，在此控制系統(tǒng)中電壓、電流環(huán)應(yīng)用了PI環(huán)節(jié)，PI參數(shù)的設(shè)計[5]通過查看相關(guān)資料經(jīng)仿真調(diào)試得到。

1.4 移相全橋變換器系統(tǒng)Matlab仿真實現(xiàn)

采用Matlab軟件對數(shù)字DSP控制移相全橋變換器系統(tǒng)進行仿真，得到圖2，模型中包含的子系統(tǒng)與函數(shù)說明及參數(shù)如下，Ur為電壓基準，PI-v為 PI模塊電壓環(huán)，PI-i為PI模塊電流環(huán)，Main為開環(huán)模型，包括PWM發(fā)生器，全橋主電路和移相角生成電路，比例放大系數(shù)，Ki=0.8，Kv=0.4以及采樣頻率Sample為50K。其中限幅環(huán)節(jié)模擬DSP的保護作用，零階保持環(huán)節(jié)模擬DSP的采樣，PI調(diào)節(jié)器在DSP內(nèi)通過相應(yīng)的算法實現(xiàn)。

其中子系統(tǒng)main是該系統(tǒng)的開環(huán)模型，系統(tǒng)的輸入變量是piln1，這里ln1為移相角（弧度制），設(shè)定內(nèi)部參數(shù)。在仿真時運用做一個離散的PI環(huán)節(jié)封裝成PI調(diào)節(jié)器，與DSP的離散算法相一致,為其設(shè)定仿真參數(shù)。

按照設(shè)計要求，輸出額定功率為300W(15V/20A)，仿真結(jié)果如下。

（1）額定負載下（0.75ohm），開環(huán)原邊電流，輸出電流，電壓波形。

（2）閉環(huán)穩(wěn)態(tài)仿真結(jié)果。

圖5 輸入350 V,定負載下輸出電壓，電流波形以及移相角變化（弧度制）

從圖3和4知無論是動態(tài)性還是穩(wěn)定性開環(huán)輸出效果沒有閉環(huán)輸出好，圖4和5可以看出輸入增大可以減小移相角從而達到改變相對占空比進而達到動態(tài)穩(wěn)定調(diào)壓的目的。0.005s時突加載，仿真時輸出電壓/電流波形以及移相角有動態(tài)變化，但狀態(tài)穩(wěn)定。Matlab仿真結(jié)果表明，該系統(tǒng)能夠達到較好的穩(wěn)態(tài)和動態(tài)性能。

2 結(jié)論

本文設(shè)計了基于DSP控制的移相全橋軟開關(guān)變換器，結(jié)合理論分析并在仿真軟件Matlab環(huán)境下，搭建了仿真模型。通過仿真驗證了理論分析的正確性，實現(xiàn)了模擬DSP控制的移相控制策略，得到了合理PI參數(shù)值。通過仿真分析，為硬件電路的搭建提供了理論依據(jù)。

［1］阮新波，嚴仰光.脈寬調(diào)制DC/DC全橋變換器的軟開關(guān)技術(shù)[M].科學(xué)出版社，2006.

［2］王兆安，黃俊.電力電子技術(shù)[M].4 版.機械工業(yè)出版社，2005，1.

［3］洪峰.數(shù)字控制移相全橋軟開關(guān)變換器[D].南京航空航天大學(xué)，2004.2.

［4］芮騏驊.滯后臂串聯(lián)二極管的ZVZCS移相全橋變換器研究[D].合肥工業(yè)大學(xué),2010-4-1.

［5］杜少武.現(xiàn)代電源技術(shù)[D].合肥工業(yè)大學(xué)電氣與自動化學(xué)院，2006.