基于SG3525的雙管正激變換器的研制

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(廣西大學電氣工程學院，廣西 南寧 530004)

1 引言

傳統的雙管正激變換器開關管電壓應力低,內在抗橋臂直通能力強,可靠性高,已廣泛應用于船舶供電系統、通信電源等中、大功率場合[1-3]。在實際應用中傳統雙管正激變換器一般采用電壓型PI控制策略，其是基于目標的反饋誤差控制，該控制策略設計簡單。

本文以SG3525為核心控制器，在其外圍添加適當的電阻電容構成經典的三類補償器來實時的對輸出電壓進行校正，以期當輸入電壓為AC80V-160V時，輸出電壓可以穩定在DC50V以便給負載供電。

2 設計總體方案

圖1為該控制系統的總體結構框圖。對輸出電壓進行采樣調理之后送入SG3525的反相輸入端，與所設定的參考輸出電壓值進行相減，將誤差送入控制器，控制器輸出與SG3525的固有三角載波進行比較后產生相應的PWM波，經過TLP250與隔離變壓器隔離驅動雙管正激變換器的開關管，從而使輸出電壓穩定在預設的50V。

圖1 系統總體框圖

3 硬件電路設計

3.1 主電路設計

3.1.1 高頻變壓器匝比選擇

雙管正激變換器的輸入輸出電壓關系如下：

(1)

雙管正激變換器的工作占空比必須小于50%。(即D<0.5)。

圖2 雙管正激變換器拓撲結構

(2)

由此可得：

(3)

因此取n=1。

3.1.2 電感的選擇

電感的選擇應保證直流輸出電流為最小規定電流時，電感電流依然保持連續。通常約為額定負載電流的10%，即0.1I0，其中I0為額定輸出電流。

為了保證電感工作在連續模式，要求在輸入電壓最大(即占空比最小)時，電感放電時間最長的情況下電感電流不過零。

(4)

電感上電流紋波為ΔiL=20%I0=0.2×5=1

(5)

(6)

為保留一定余量，本文取L0=1000μH=1mH。

3.1.3 輸出電容的選擇

輸出電容選用1000μF/100V的電解電容，同時在輸出端并聯0.1μF/6kV的CBB電容以濾除輸出端的高頻電壓紋波。

3.2 隔離驅動電路設計

雙管正激變換器的下橋臂的開關管的源極與主電路共地，但是上橋臂的開關管的源極電位與主電路地的電位不同，因此其兩只開關管的驅動需要使用脈沖變壓器隔離產生懸浮地，這樣才可以使兩只開關管可靠地開通與關斷。驅動電路如圖3所示。

圖3 脈沖變壓器型隔離驅動電路

4 控制系統設計

4.1 雙管正激變換器狀態空間模型

在圖2中，令Vin=E；iin=iL；v0=uC；n=EP/Es。采用狀態空間平均法對上述變換器拓撲進行建模，所得模型為：

(7)

式中：iL、uC分別為電感電流與輸出電容電壓的開關周期平均值；E為交流電整流后的輸入瞬時電壓值；u為MOSFET開關管Q的占空比。

由小信號建模得占空比至輸出電壓的傳遞函數為：

(8)

本文取：v01=200V,n=1,R=10Ω(滿載),L0=1mH,C0=220μF。

4.2 雙管正激變換器的控制器設計

圖4 電路控制結構框圖

未加補償器時電路的開環傳遞函數為：

G0(s)=H(s)·Gm(s)·Gv0d(s)

(9)

做出波特圖如圖5所示。

圖5 原始回路增益函數的波特圖

由于相位裕度僅為4.5283°，因而需要設計調節器加以補償。

本設計采用如下圖所示的三型補償器對原始回路增益函數進行補償[4-5]，以使得相位裕度γ≥45°，幅值裕度GM≤-10dB。該補償器的傳遞函數為：

(10)

圖6 調節器電路圖

圖7 調節器幅頻特性圖

①設加入補償網絡Gc(s)后，回路函數G(s)H(s)=Gc(s)G0(s)的剪切頻率為：

(11)

為了得到-20dB/dec的斜率，補償網絡Gc(s)在剪切頻率點處必須提供+20dB/dec的斜率。

②將補償網絡Gc(s)的兩個零點頻率設計為原始回路函數G0(s)的兩個相近極點頻率的1/2，即：

(12)

③由于G0(s)沒有零點，則可以將Gc(s)的兩個極點設定為：

fp2=fp3=fs=60kHz

(13)

④原始回路函數G0(s)在fg=12kHz處的增益為：

(14)

補償網絡Gc(s)在剪切頻率fg=12kHz處的增益為：

(15)

⑤求在零點fZ1與fZ2之間的增益為：

(16)

極點fP2處的增益為：

(17)

⑥最后求出補償網絡的電阻與電容值

首先，假設R2=10kΩ，可求得其他元器件參數

(18)

(19)

(20)

(21)

(22)

因此補償器的傳遞函數為：

Gc(s)=

(23)

加入補償器后的波特圖如圖8所示。

圖8 校正前后系統波特圖

5 實驗結果分析

圖9 負載電阻由15Ω突變到8Ω時輸出電壓與輸出電流波

圖10 負載電阻由15Ω突變到8Ω時輸出電壓與輸出電流波

圖11 負載連續跳變時輸出電壓與電流波形

圖9為該系統的負載電阻由15Ω突變到8Ω時輸出電壓與輸出電流波形，圖10為該系統的負載電阻由8Ω突變到15Ω時輸出電壓與輸出電流波形，圖11為系統負載電阻在8Ω與15Ω之間連續跳變時的實驗波形，可以看出無論是突增負載還是突減負載，系統的動態響應速度較快，只是輸出電壓與電流的紋波略有變換。

6 結論

本文詳細介紹了基于SG3525的雙管正激變換器的恒壓輸出控制系統設計以及硬件電路設計，通過搭建了一臺250W的實驗樣機進行實驗驗證，結果表明實驗樣機可以穩定的輸出50V直流電壓，并且在負載突變時系統的動態響應速度較快，具有較強的魯棒性。