中頻正弦波鍍膜電源開發(fā)

改造者：楊 舒

中頻正弦波鍍膜電源開發(fā)

改造者：楊 舒

設(shè)計了一種功率器件為IGBT，10KW，40KHZ正弦波鍍膜電源主電路采用移相全橋，輸出濾波電路采樣LLCC4階功率變換電路。通過用狀態(tài)空間平均法建立LLCC功率變換電路的小信號模型，推導(dǎo)出控制到輸出的傳遞函數(shù)，并用MATLAB進行仿真；分析并畫出閉環(huán)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖，通過用試探法使原始系統(tǒng)開環(huán)回路傳遞函數(shù)的bode圖滿足所需要求，從而得到補償網(wǎng)絡(luò)傳遞函數(shù)，完成了變換器的控制系統(tǒng)設(shè)計。

鍍膜電源是鍍膜過程中非常重要的一部分。磁控濺射電源的性能關(guān)系到鍍膜質(zhì)量的好壞。軟開關(guān)諧振變換器被廣泛使用在高頻率，高功率密度和減少電磁干擾的電源中。本文設(shè)計的開關(guān)電源的主電路是移相全橋LLCC諧振變換電路，相比2階諧振電路有更大的負(fù)載變化范圍，可以呈現(xiàn)更好的性能和更好的動態(tài)響應(yīng)。另外，通過使用更高階的諧振電路，可能吸收一個轉(zhuǎn)換器的所有的寄生元件，尤其是當(dāng)很高的轉(zhuǎn)換頻率時。

總體設(shè)計方案

設(shè)計要求

（1）輸入 三相輸入電壓：（380±10％）V；頻率：50±3Hz。

（2）輸出 輸出電壓有效值范圍：307-953 V；輸出頻率：4QkHz±0.01Hz。

最大輸出功率l0kW 負(fù)載范圍約為1：10（9-91Ω）。

（3）工作模式 穩(wěn)流，穩(wěn)電壓，穩(wěn)功率。

（4）工作環(huán)境 工作溫度 0-40℃。

整體系統(tǒng)設(shè)計

系統(tǒng)整體設(shè)計如圖1所示，中頻磁控濺射電源主要是經(jīng)由三相整流濾波、移相全橋主電路、四階LCLC濾波、升壓變壓器輸出到負(fù)載，然后反饋電路實現(xiàn)恒流、恒壓恒功率三種工作模式。DSP控制板主要實現(xiàn)故障處理，IGBT驅(qū)動，和與飛思卡爾單片機的CAN通信。DSP主控板檢測輸出電壓、電流、功率、故障等信號，與設(shè)定值比較，再進行占空比計算，然后輸出PWM信號驅(qū)動功率開關(guān)管，完成閉環(huán)控制。DSP芯片采用TI公司的TMS320F2808。DSP進行AD轉(zhuǎn)換，將需要的數(shù)據(jù)采集。DSP接受的是0～3V的直流電壓信號，電源的輸出是高電壓、大電流，均為40kHz正弦波。首先將高電壓、大電流信號變換成低電壓信號，再把交流轉(zhuǎn)換成直流信號，在進行電壓匹配到DSP的AD端口。AD734芯片用來將交流轉(zhuǎn)換成直流。

圖1 中頻磁控濺射電源設(shè)計框架

主電路工作原理

主電路結(jié)構(gòu)如圖2所示，380V三相交流電經(jīng)三相整流濾波輸出直流電E，經(jīng)移相全橋逆變電路控制，得到占空比可調(diào)的三階梯波，再經(jīng)LLCC諧振變換電路濾波，得到40kHZ的正弦波，最后通過升壓變壓器加到負(fù)載端。Q1、Q2是超前臂，Q3、Q4是滯后臂。Ls、Cs、Lp、Cp組成的是純并聯(lián)諧振電路。

圖2 主電路示意圖

變換器小信號模型建立與分析

小信號分析法是適用于非線性系統(tǒng)線性化的一種較好的理論分析方法。將小信號分析法引入開關(guān)變換器的動態(tài)建模與分析是目前常用的方法。小信號建模的方法有很多種，常見的有PWM開關(guān)等效法、狀態(tài)空間平均法等，下面本文將基于狀態(tài)空間平均法對變換器進行小信號建模分析。

狀態(tài)空間平均法

LLCC的數(shù)學(xué)建模做出如下假設(shè)：（1）所有的開關(guān)，二極管和其他無源元件是理想的；（2）所有無源器件為線性元件；（3）濾波電感電流交流紋波很小，可忽略不計。基于以上假設(shè)條件，繪制全橋LLCC等效電路如下圖3所示。

圖3 全橋LLCC等效電路

根據(jù)等效電路，由基爾霍夫定律列寫其狀態(tài)方程。

變換器的狀態(tài)變量電感電流iLS，i Lp和電容電壓vCS，vCP

小信號擾動法的主要思想是通過變換器靜態(tài)工作點附近引入低頻小信號擾動，從而對變換器進行線性化處理。假設(shè)變換器工作在某一穩(wěn)態(tài)工作點，占空比d（t）=D，輸入電壓vg（t ）穩(wěn)態(tài)值Vg，在穩(wěn)態(tài)工作點附近加一個低頻小擾動，令

變換器電路中各狀態(tài)變量受小信號擾動而將發(fā)生微小變化，設(shè)

拉氏變換后的近似小信號交流模型：

整理得

系統(tǒng)bode圖繪制與分析

本文設(shè)計的硬件參數(shù)：

輸入電壓Vg=515V，諧振電感LS=LP=48μH，諧振電容CS=CP=0.33μF，諧振頻率fs=40KHZ，周期T=25μs。

將其代入得變換器控制擾動量一輸出的開環(huán)傳遞函數(shù)為：

運用MATLAB軟件繪制出控制擾動量一輸出的開環(huán)傳遞函數(shù)bode圖，如圖4所示。

圖4 控制一輸出的開環(huán)傳遞函數(shù)bode圖

控制系統(tǒng)設(shè)計

移相全橋LLCC諧振變換器電壓負(fù)反饋閉環(huán)控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖5所示。其中為控制d（s）到輸出的傳遞函數(shù)為誤差信號到控制量的傳遞函數(shù)，為PWM的傳遞函數(shù)為反饋分壓網(wǎng)絡(luò)的傳遞函數(shù)。主電路輸出電壓vo經(jīng)過電壓采樣電路，將采樣輸出的電壓作為反饋電壓信號輸入誤差放大器負(fù)端，與誤差放大器正輸參考電壓相減，得到誤差信號輸入至控制補償網(wǎng)絡(luò)得控制量α經(jīng)PWM將控制量轉(zhuǎn)化為占空比控制量后，最后輸入至開關(guān)變換器電路控制輸出電壓

圖5 移相全橋LLCC諧振變換器電壓負(fù)反饋閉環(huán)控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

開關(guān)變換器系統(tǒng)原始回路的開環(huán)傳遞函數(shù)為

通過移相角α的大小來調(diào)節(jié)占空比d（t），所以PWM的傳遞函數(shù)

將所得各環(huán)節(jié)傳遞函數(shù)代入（5.2），可得移相全橋LLCC諧振變換器原始系統(tǒng)開環(huán)回路傳遞函數(shù)為

繪制變換器系統(tǒng)原始開環(huán)回路的系統(tǒng)對數(shù)頻率特性，如圖6所示。

圖6 移相全橋LLCC諧振變換器系統(tǒng)原始開環(huán)回路傳遞函數(shù)bode圖

為了使系統(tǒng)滿足一定的動態(tài)和穩(wěn)態(tài)要求，對開環(huán)傳遞函數(shù)的波特圖一般希望其滿足

（1）低頻段要有一定的高度和斜率，以保證系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)誤差小；

（2）中頻段幅頻斜率為一20dB/Dec，且具有足夠的寬度；或是幅頻斜率為一40dB/Dec，且中頻段較窄；相角裕度大于45°；

（3）高頻特性應(yīng)以一40dB/Dec斜率下降，以抑制不必要的高頻干擾；

（4）系統(tǒng)開環(huán)截止頻率設(shè)計在開關(guān)頻率的1/5→ 1/20.本文中開關(guān)頻率為40kHZ，穿越頻率選擇其1/20，得fc=2kHZ；

（5）工程領(lǐng)域認(rèn)為GM小于-6dB，則系統(tǒng)具有足夠的增益裕度。

運用MATLAB通過試探法，使其滿足上述要求，得補償后的系統(tǒng)開環(huán)傳遞函數(shù)bode圖，如圖7所示。

圖7 補償后的系統(tǒng)開環(huán)傳遞函數(shù)bode圖

從而得到我們要設(shè)計的控制器補償網(wǎng)絡(luò)的傳遞函數(shù)，

結(jié)語

本文提出了一種基于DSP的正弦波中頻電源的設(shè)計。分析了正弦波電源的工作原理，分析了移相全橋諧振電路的基本工作原理。重點對LLCC功率變換電路進行建模，通過用狀態(tài)空間平均法建立了LLCC功率變換電路的小信號模型，推導(dǎo)出控制到輸出的小信號傳遞函數(shù)，并用MATLAB繪制了bode圖。為使系統(tǒng)滿足一定的動態(tài)和穩(wěn)態(tài)要求，通過用試探法畫出符合要求的補償后的系統(tǒng)開環(huán)傳遞函數(shù)bode圖，從而求得補償網(wǎng)絡(luò)傳遞函數(shù)，完成了變換器的控制系統(tǒng)設(shè)計，并用MATLAB仿真驗證。

楊 舒

中國礦業(yè)大學(xué)（北京）機電與信息工程學(xué)院

楊舒（1993-）女，陜西，本科，所學(xué)專業(yè)電氣工程與自動化。

10.3969/j.issn.1001-8972.2015.16.036