三電平DCDC電源模塊的環路設計實例

路 侃，張治國

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三電平DCDC電源模塊的環路設計實例

路 侃，張治國

（合肥華耀電子工業有限公司, 合肥 230031）

在三電平DCDC控制系統傳遞函數的基礎上，給出了環路設計過程。應用Mathcad分析了在負載動態變化時系統的環路性能。根據理論分析結果對一款3 kW三電平DCDC電源進行了環路設計，實驗結果驗證了理論分析的正確性。

三電平 環路設計 數字控制

0 引言

三電平DCDC電源模塊的優點是開關管的電壓應力為輸入電壓的一半，降低了開關器件的成本，也提高了可靠性。而且，PWM信號可采用移相方式實現，所以驅動信號既可由傳統移相控制芯片輸出，也可用DSP數字芯片通過軟件編程實現，十分方便。

已有相關文獻對三電平DCDC電路拓撲的工作原理和設計過程進行了研究。文獻[1]詳細論述了各類拓撲三電平DCDC變換器的工作原理和軟開關實現過程，也給出了具體實驗結果。在其理論基礎上，文獻[2~3]介紹了三電平DCDC電源在充電機中的應用實例，給出了相關電路的設計方法。本文通過一個實例給出控制環路的設計過程，此環路設計過程也可用于其他buck型開關電源。

1 系統構成

三電平DCDC電源模塊由5部分組成(圖1)，分別是輸入主電路、采樣電路、驅動電路、DSP控制電路和輸出濾波電路。

三電平DCDC電源模塊主電路為半橋TL變換器電路拓撲，主電路和主要驅動波形如下圖2所示。

通過實時調節Q1、Q4開關管PWM占空比實現閉環，Q2、Q3開關管驅動脈沖保留死區后互補。

2 控制系統傳遞函數

電源運行時可工作于恒壓模式和恒流模式，環路計算在DSP中斷子程序完成。恒壓模式包括電壓外環和電流內環，而恒流模式只有電流環比較簡單，因此本文只分析恒壓模式下的環路設計。

恒壓工作模式下，電壓外環確定了系統對負載的響應，電流內環確定了系統對輸入電壓的響應，電流環的帶寬應大于電壓環5～10倍。PI參數選擇是在系統建模的基礎上進行的，可用Mathcad分析其系統幅頻曲線和相頻曲線，由此可確定環路參數?

三電平DCDC變換器本質上是由buck變換器衍生而來的。對比buck電路的小信號模型[4]，可建立三電平DCDC的小信號模型，在其小信號模型的基礎上即可得到控制系統的傳遞函數。

三電平DCDC與buck電路的區別是存在占空比丟失，有效占空比計算式為[1]

(2)

結合(1)式，可得到

由此可以推導出系統的控制框圖（圖3）和電流內環閉環傳遞函數（公式4），請見附錄所示。

把電流閉環傳遞函數作為一個新的傳遞函數得到系統的開環傳遞函數。

3 環路分析與設計

圖4 控制系統Bode圖

圖4給出了輸入電壓相同，但負載不同時的幅頻曲線和相頻曲線的Bode圖。圖中，為補償前電壓開環傳遞函數幅值計算式；為補償后幅值計算式；為補償前電壓開環傳遞函數相角計算式，為補償后相角計算式。

由圖4可見，補償前低頻增益為負，系統在穩定運行時存在穩態誤差，幅值曲線與橫坐標軸無交點，所以要進行電壓環補償。補償后低頻增益較大，所以穩態誤差很小；高頻以-40 dB/sec衰減，抗干擾能力強；穿越頻率為76 Hz，相位裕度為53°；補償后理論計算結果符合工程設計要求。

4 設計實例

設計了一款3 kW的實驗樣機，主電路參數與第3節所示主電路參數相同。恒壓模式下，輸入電壓625 V時進入閉環。閉環調節過程中實驗波形如下圖所示

圖中，自上而下，黃色線為Q1驅動（DSP輸出端測量）波形，紅色為變壓器原邊電流波形，青色線為Q1 DS端波形，綠色線為輸出電壓經采樣電路輸入DSP波形。DCDC處恒壓工作模式，實驗中電源輸出端接電阻負載，調節范圍為20~40W；或者輸入電壓由625 V持續調高至800 V，輸出電壓始終穩定在設定值280 V。

按照恒壓模式下的環路設計方法也可得到恒流控制模式下的PI參數。在恒流模式下，三電平DCDC樣機輸出端接20~40W電阻負載。輸入電壓調節至452 V時進入恒流閉環。閉環調節過程中實驗波形如下圖所示

圖中，自上而下，黃色為輸出電流波形，紅色為變壓器原邊電流波形，青色線為Q1 DS端波形。DC-DC處恒流工作模式，實驗中輸入電壓由452 V持續調高至800 V，輸出電流始終穩定在設定值9 A。

實驗證明，通過環路設計得到的PI參數能使三電平DCDC穩定運行于恒壓和恒流模式，主要波形無明顯畸變，電路工作性能良好。

5 結論

三電平DCDC的環路設計是在其小信號模型的基礎上進行的，在系統開環傳遞函數的Bode圖的基礎上得到閉環調節器的PI參數進行環路調節更容易，也更可靠。

因為環路設計是在buck型開關電源的小信號模型基礎上進行的，因此本方法適用于任何buck型開關電源的環路設計。

[1] 阮新波. 三電平直流變換器及其軟開關技術[M]. 北京：科學出版社, 2006.

[2] 唐許. ZVS半橋三電平充電機的研究與設計[D]. 電子科技大學碩士論文, 2015.

[3] 宋衛平. 高壓直流通信電源中高頻開關整流模塊的研究[D]. 南京航空航天大學碩士論文, 2012.

[4] 徐德鴻. 電力電子系統建模及控制[M]. 北京: 機械工業出版社, 2013.

Design Example of Control-loop for Three-level DC-DC Power Supply Module

Lu Kan, Zhang Zhiguo

(ECU Electronics Industrial Co., Ltd, Hefei 230031, China )

TM743

A

1003-4862（2017）09-0048-03

2017-06-15

路侃(1971-)，男，碩士。研究方向：高頻開關電源的開發與應用。