電磁發(fā)射機(jī)DC／DC變換器的建模研究

徐曉新，張一鳴，王 亮，高俊俠

（北京工業(yè)大學(xué)電子信息與控制工程學(xué)院，北京100124）

0 引 言

電磁發(fā)射機(jī)是利用電磁法以所需頻率逆變，并通過接地電極發(fā)射獲得有效的電磁場進(jìn)行海洋油氣資源的勘探開發(fā)。為了降低發(fā)射機(jī)的功率損耗，將軟開關(guān)技術(shù)應(yīng)用于發(fā)射機(jī)當(dāng)中，尤其是發(fā)射機(jī)系統(tǒng)使用IGBT作為開關(guān)，可以進(jìn)一步提高變換器的功率密度。但是由于發(fā)射機(jī)使用的變換器工作情況復(fù)雜，而且是高階非線性系統(tǒng)，使得變換器的設(shè)計(jì)比較困難。對于發(fā)射機(jī)而言，建立精確的數(shù)學(xué)模型并進(jìn)行仿真分析不僅能夠更好地模擬實(shí)際情況，而且能夠針對不同元器件的功率損耗選擇更優(yōu)的器件。針對這種情況，本課題結(jié)合變換器的特性，考慮變壓器漏感和導(dǎo)通損耗，建立滯后臂串聯(lián)二極管的ZVZCS變換器的小信號(hào)等效模型；同時(shí)設(shè)計(jì)了基于小信號(hào)模型的電壓電流雙閉環(huán)控制方案。

1 電磁發(fā)射機(jī)的建模及仿真

1.1 發(fā)射機(jī)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

本課題研制的發(fā)射機(jī)為6 k W、200 A的電磁發(fā)射系統(tǒng)。對于大電流輸出的高頻開關(guān)電源，一般采用隔離降壓全橋變換器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，同時(shí)選用全波整流進(jìn)行濾波。結(jié)合開關(guān)電源模塊的設(shè)計(jì)理念及項(xiàng)目要求，得出電磁發(fā)射機(jī)的功率拓?fù)淙鐖D1所示。

圖1 發(fā)射機(jī)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖

電磁發(fā)射機(jī)由三相交流發(fā)電機(jī)提供電能，三相交流電經(jīng)不控整流后得到的直流電壓可等效為一個(gè)恒壓源。另外，要保證電磁發(fā)射機(jī)經(jīng)過移相全橋變換器后，輸出的直流電壓穩(wěn)定，才能進(jìn)行逆變器的發(fā)射，故逆變發(fā)射部分先不予考慮。因此，對電磁發(fā)射機(jī)而言，采用恒壓源供電作為輸入，電磁發(fā)射機(jī)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)等效為圖2所示的移相全橋ZVZCS變換器拓?fù)洌?］。其中，Q1、Q3組成超前橋臂，D1、D3分別是其內(nèi)置二極管，兩端并聯(lián)有吸收電容C1、C3，在開通關(guān)斷時(shí)處于零電壓狀態(tài)。Q2、Q4組成滯后橋臂，分別串聯(lián)二極管D2、D4。Llk為高頻變壓器的漏感，Cb為阻斷電容，用來實(shí)現(xiàn)滯后臂的零電流開通和關(guān)斷。

1.2 小信號(hào)等效模型的建立

移相全橋變換器的建模一般只考慮變壓器漏感，本文是在既考慮變壓器漏感又考慮導(dǎo)通損耗的情況下

圖2 移相全橋ZVZCS變換器拓?fù)?/p>

建立的［2］。建模時(shí)需要作如下假設(shè)，非理想器件等效為理想器件及其寄生參數(shù)的串聯(lián)，非理想功率開關(guān)IGBT等效為理想開關(guān)和導(dǎo)通電阻的串聯(lián)，非理想二極管等效為理想開關(guān)、正向壓降、正向?qū)娮璧拇?lián)，變壓器的漏感和原邊繞組串聯(lián)于理想變壓器的原邊，副邊繞組電阻串聯(lián)于理想變壓器的副邊。則移相全橋ZVZCS變換器的等效電路如圖3所示。

圖3 移相全橋ZVZCS變換器等效電路

由于變壓器漏感的存在，引起占空比丟失，使得次級有效占空比總小于初級占空比。設(shè)主變壓器初級占空比為D，次級有效占空比為De，占空比丟失為Dl。根據(jù)對移相全橋ZVZCS變換器的分析，可以得到圖4所示變壓器原副邊占空比對比圖。從而有效占空比的DC表達(dá)式為［3］：

根據(jù)小信號(hào)方程式得到有效占空比的AC表達(dá)式為：

其中，

圖4 變壓器原副邊占空比圖

在一個(gè)周期內(nèi)：功率開關(guān)管S1、S3的電流有效值為：

功率開關(guān)管S2、S4的電流有效值為：

原邊電流iP有效值為：

二極管D1、D3電流有效值：

電容C1、C3電流有效值為：

副邊二極管電流有效值為：

功率開關(guān)管S1、S3中開通電阻Ron的功率損耗為：

功率開關(guān)管S2、S4中開通電阻Ron的功率損耗為：

S1、S3并聯(lián)二極管正向電阻RD的功率損耗為：

S2、S4串聯(lián)二極管正向電阻RD的功率損耗為：

變壓器原邊電阻RT1和隔直電容等效電阻RCb的功率損耗為：

變壓器副邊電阻RT2和副邊二極管正向電阻RD的功率損耗為：

根據(jù)能量守恒定理，由式（7）～（12）得大信號(hào)平均模型中折算到電感支路的總等效電阻RE和電壓UFE分別為：

由此得出圖5所示考慮導(dǎo)通損耗和變壓器漏感的移相全橋變換器的小信號(hào)電路模型［4，5］。

圖5 移相全橋ZVZCS小信號(hào)模型

輸出電壓^vo（s）對占空比^d（s）的傳遞函數(shù)Gvd（s）

根據(jù)設(shè)計(jì)的參數(shù)進(jìn)行仿真，仿真主要數(shù)據(jù)為：輸入電壓Ui＝310 V，輸出電壓Uo＝32 V，輸出電流Io＝200 A，實(shí)驗(yàn)室用阻抗為0.15Ω，變壓器變比n＝5.1，開關(guān)頻率fs＝20 k Hz。通過仿真得到圖6所示Gvd（s）的伯德圖，結(jié)果表明考慮導(dǎo)通損耗的電路模型更能正確地反映實(shí)際變換器的特性，提高模型的精確度，揭示了考慮導(dǎo)通損耗和變壓器漏感建模的必要性。

圖6 G vd（s）幅頻特性圖

2 電磁發(fā)射機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

一直以來，工業(yè)生產(chǎn)過程中應(yīng)用最廣泛、最成熟的控制器仍然是比例積分微分（PID）控制器，以其結(jié)構(gòu)簡單、易實(shí)現(xiàn)、魯棒性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)處于主導(dǎo)地位。電壓環(huán)和電流環(huán)各有其優(yōu)點(diǎn)，結(jié)合這兩種方法，移相全橋ZVZCS變換器采用雙環(huán)控制系統(tǒng)，即電壓外環(huán)電流內(nèi)環(huán)［6］。用外環(huán)電壓誤差的控制信號(hào)控制電流，通過調(diào)節(jié)電流使輸出電壓跟蹤參考電壓值。電流內(nèi)環(huán)能夠增大控制系統(tǒng)的帶寬，改善變換器的動(dòng)態(tài)性能。其結(jié)構(gòu)框圖如圖7所示。

圖7 移相ZVZCS閉環(huán)控制框圖

其中，Gi（s）、Gv（s）分別為電流環(huán)和電壓環(huán)的傳遞函數(shù)；Gid（s）為電流環(huán)功率級的傳遞函數(shù)；Zok（s）為輸出負(fù)載的傳遞函數(shù)；Kif、Kvf分別為電流和電壓調(diào)理電路的增益；Fm為比較環(huán)節(jié)增益。

電流環(huán)的閉環(huán)傳遞函數(shù)為：

系統(tǒng)開環(huán)傳遞函數(shù)：

電壓外環(huán)控制系統(tǒng)輸出電壓，提高系統(tǒng)穩(wěn)定性，采用PI控制；電流內(nèi)環(huán)跟蹤負(fù)載電流的變化，提高系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性，同樣采用PI控制。系統(tǒng)雙閉環(huán)設(shè)計(jì)的原則是先設(shè)計(jì)電流內(nèi)環(huán)，在獲得穩(wěn)定內(nèi)環(huán)之后，作為電壓外環(huán)的傳遞函數(shù)，設(shè)計(jì)電壓外環(huán)參數(shù)［7］。經(jīng)過設(shè)計(jì)后得到電壓外環(huán)的傳遞函數(shù)伯德圖如圖8所示。由圖可以看出，經(jīng)過調(diào)節(jié)后，電壓外環(huán)的相位裕度γ＝134°，截止頻率ωcv＝2.02×103rad／sec，很好地滿足的系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

圖8 PI調(diào)節(jié)后的電壓外環(huán)開環(huán)波特圖

本文采用TI公司的TMS320F2812型DSP作為控制核心，實(shí)現(xiàn)全數(shù)字控制回路。該芯片采用高性能的靜態(tài)CMOS技術(shù)，把電壓、電流檢測電路檢測到的輸出電壓、電流信號(hào)反饋到DSP的AD引腳，與給定值進(jìn)行比較，經(jīng)過控制算法處理，實(shí)時(shí)地調(diào)整移相角的大小，輸出四路PWM波驅(qū)動(dòng)IGTBT進(jìn)行移相全橋的控制。系統(tǒng)濾波后輸出直流母線電壓達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)，通過逆變發(fā)射部分發(fā)射波形如圖9所示。圖9是1 Hz時(shí)的發(fā)射波形，從圖中可以看出輸出超調(diào)量小，調(diào)節(jié)時(shí)間短，穩(wěn)定輸出時(shí)波動(dòng)小。

圖9 雙環(huán)控制1 Hz發(fā)射波形

3 結(jié) 論

本文建立了考慮變壓器漏感和導(dǎo)通損耗的移相全橋ZVZCS變換器小信號(hào)模型，并用Matlab仿真驗(yàn)證了模型的正確性。在此基礎(chǔ)上構(gòu)建了電壓外環(huán)電流內(nèi)環(huán)的雙閉環(huán)控制系統(tǒng)，仿真確定電流內(nèi)環(huán)和電壓外環(huán)的傳遞函數(shù)并給出電壓外環(huán)的傳遞函數(shù)伯德圖。最后實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了變換器的有效性和實(shí)用性，動(dòng)態(tài)響應(yīng)快，可應(yīng)用于大電流電源系統(tǒng)。

［1］ Xinbo Ruan，Yangguang Yan.A Novel Zero-Voltage and Zero-Current-Switching PWM Full-Bridge Converter U-sing Two Diodes in Series With the Lagging Leg［J］.IEEE Transactions on Industrial Electronics，2001，48（4）：777-785.

［2］ 歐陽長蓮.DC-DC開關(guān)變換器的建模分析與研究［D］.南京：南京航空航天大學(xué)，2005.

［3］ 解光軍，劉海平，徐慧芳，等.基于有效占空比的ZVZCS全橋變換器建模與仿真［J］.電子器件，2011，34（2）：194-198.

［4］ 孫鐵成，王高林，孫亞秀.ZVZCS全橋PWM DC-DC變換器的小信號(hào)建模方法［J］.控制工程，2004，11（Z1）：195-197.

［5］ 程 心.非理想DC-DC開關(guān)變換器的建模分析與仿真［D］.合肥：合肥工業(yè)大學(xué)，2009.

［6］ 張寧云，程善美.ZVZCS全橋變換器模型分析及控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)［J］.電氣自動(dòng)化，2011，33（3）：43-46.

［7］ 陳國超，張昆侖.移相全橋ZVS ZCS變換器雙閉環(huán)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)［J］.通信電源技術(shù)，2010，27（5）：20-23.