维普资讯 http://www.cqvip.com 第４０卷第３期 电力电子技术 Ｖｏ１．０．Ｎｏ．４３ 旦 一墼 望望 —————————————一 种电力操作电源的建模与控制环路设计 刘兴发，文远芳，周 挺 （华中科技大学，湖北武汉４３００７４） 摘要：结合电力操作电源的特性，建立了基于有限双极性控制的操作电源的小信号模型，并设计了控制电路。克 服了开关电源轻载实现零电压零电流开关（Ｚｅｍ．Ｖｏｈａｇｅ Ｚｅｒｏ—Ｃｕｒｒｅｎｔ Ｓｗｉｔｃｈｉｎｇ，ＺＶＺＣＳ）效果不好以及传统电压控制 模式反应相对较慢的缺陷。该电路具有简单、可靠、稳定的特点。 关键词：电源；控制电路／电力操作电源；有限双极性控制 中图分类号：ＴＮ８６ 文献标识码：Ａ 文章编号：１０００－１００Ｘ（２００６）０３－Ｏｌ １７—０３ Ｍｏｄｅｌｉｎｇ ｏｆ ａ Ｒｅｃｔｉｉｅｒ ｆｏｒ Ｐｏｗｅｒ Ｏｐｅｒａｔｉｆｏｎ ａｎｄ Ｄｅｓｉｇｎ ｏｆ Ｃｏｎｔｒｏｌ－ｌｏｏｐ Ｃｉｒｃｕｉｔ ＬＩＵ Ｘｉｎｇ—ｆａ。ＷＥＮ Ｙｕａｎ—ｆａｎｇ，ＺＨＯＵ Ｔｉｎｇ （Ｈｕａｚｈｏｎｇ Ｕｎｉｖｅ ｉｔｙ ｏｆＳｃｉｅｎｃｅ ａｎｄ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ。Ｗｕｈａｎ ４３００７４，Ｃｈ 口） Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｉｎ ｔｈｉｓ ｐａｐｅｒ，ｔｈｅ ｓｍａｌｌ ｓｉｇｎａｌ ｍｏｄｅｌｉｎｇ ｏｆ ｔｈｅ ｅｌｅｃｔｒｉｃ ｒｅｃｔｉｉｆｅｒ ｂａｓｅｄ ｏｎ ｌｉｍｉｔｅｄ ｄｏｕｂｌｅ ｐｏｌｅｄ ｃｏｎｔｏｌｒ ｓｃｈｅｍｅ ｉｓ ｐｒｅｓｅｎｔｅｄ．ａｎｄ ｔｈｅ ｃｏｎｔｒｏｌ ｌｏｏｐ ｃｉｒｃｕｉｔ ｉｓ ｄｅｓｉｇｎｅｄ．Ｔｈｉｓ ｓｃｈｅｍｅ ｏｖｅｒｃｏｍｅｓ ｔｈｅ ｄｉｓａｄｖａｎｔａｇｅ ｔｈａｔ ｔｈｅ ｒａｎｇｅ ｏｆ ｓｏｆｔ ｓｗｉｔｃｈｉｎｇ ｉｓ ｌｉｍｉｔｅｄ ｂｙ ｔｈｅ ｌｏａｄ ｃｕｒｒｅｎｔ．Ａｎｄ ｔｈｉｓ ｃｏｎｔｏｌｒ ｌｏｏｐ ｃｉｒｃｕｉｔ ｒｅｓｏｌｖｅｓ ｔｈｅ ｓｈｏｒｔｃｏｍｉｎｇｓ ｏｆ ｓｌｏｗ ｒｅｓｐｏｎｓｅ ｗｉｔｈ ＣＯｎｖｅｎｔｉｏｎａｌ ＶＯｌｔａｇｅ—ｃｏｎｔｏｌｒ ｍｏｄｅ．Ｔｈｅ ｃｉｒｃｕｉｔ ｉｓ ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｚｅｄ ｂｙ ｓｉｍｐｌｉｉｆｃａｔｉｏｎ，ｃｒｅｄｉｂｉｌｉｔｙ ａｎｄ ｓｔａｂｉｌｉｚａｔｉｏｎ． Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：ｐｏｗｅｒ ｓｕｐｐｌｙ；ｃｏｎｔｒｏｌ ｓｃｈｅｍｅ｜ｅｌｅｔｒｉｃ ｏｐｅｒａｔｉｎｇ ｐｏｗｅｒ ｓｕｐｐｌｙ；ｌｉｍｉｔｅｄ ｄｏｕｂｌｅ ｐｏｌｅ ｃｏｎｔｒｏｌ １ 引 言 高频开关电源具有体积小、重量轻、效率高、输 出纹波小、动态响应快、控制精度高等特点，广泛应 必须不依赖于负载，能全范围实现超前的ＺＶＳ和滞 后桥臂的ＺＣＳ。图１ａ示出有限双极性控制ＺＶＺＣＳ ＰＷＭ全桥电路功率部分。ＶＱ。一ＶＱ ４个ＩＧＢＴ组成 一用在大型发电厂、变电站等场合。这种电力操作电 个全桥电路。为了实现超前臂开关管ＶＱｔ，ＶＱｚ的 源有诸多的特殊要求，本文就适于特殊要求的电力 操作电源开展了研究。研制了采用有限双极性控制 方式的ＺＶＺＣＳ电源模块，建立了小信号模型，列出 各环节的传递函数。比较了电压模式控制和电流模 式控制的差异，针对软开关范围不受负载和反 馈环路设计进行分析研究。 ＺＶＳ．在其两端分别并联有吸收电容Ｃ。，Ｃ ；高频变 压器的漏感Ｌ． 和隔直电容ｃｂ用来实现滞后臂开关 管ＶＱ ，ＶＱ 的ＺＣＳ。图１ｂ示出有限双极性方法控 ■■●■■■■■■■Ｉ 制下电路的主要工作波形。 ２有限双极性控制 在大功率变换器系统装置中一般采用全桥电路 结构，对全桥变换器常采用移相控制方式【ｌ１，虽然该 （ａ）ＺＶＺＣＳ全桥电路 方式控制简单，易于实现软开关，但它本身存在一个 难以克服的缺点，即死区时间不易调整的问题：当负 载较重时，由于环流大，与超前桥臂功率管并联的电 容放电较快，因此比较容易实现零电压导通；当负载 较轻时，与超前桥臂功率管并联的电容放电很慢，超 前桥臂开关管必须延时很长时间后才能实现零电压 导通。电力操作电源的负荷包括控制负荷、动力负 荷以及直流事故照明负荷。在正常工况中，负载电 流很小，一般为几安培，在充电过程中电流很大，为 （ｂ）丰要３２作波形 翮 隔直电容的电压 图ｌ ＺＶＺＣＳ全桥电路示意图及主要工作波形 式中 一变压器初级电流 Ｕ凸一（１——全波整流后电压 ｔｔｓｖＱｌ，“ 厂脉宽可调的定频变宽脉冲 方波 ｕ ，ｕ棚广一错开一固定死区时间且频率、脉宽固定的互补 数十到数百安培，这就要求软开关的实现不随负载 大小而变化。有限双极性控制方式［２１的软开关实现 定稿日期：２０ｏ６一Ｏｌ—ｏ４ 作者简介：刘兴发（１９７９一），男，湖北黄冈人，硕士研究 生，研究方向为高压电源技术。 ＶＱ。关断后，ＶＱ 导通时刻由移相控制的ｔ２￣ｔ５ 维普资讯 http://www.cqvip.com 第４ｏ卷第３期 电力电ｉｆ－＃ｆ．ｇ． Ｖｏ１．４０．Ｎｏ．３ 时刻推后到ｔ 时刻，这样就能保证ＶＱ：在其续流管 导通后才导通。从而保证全范围的ＺＶＳ。实验证明， 正确设计电路参数，可确保超前桥臂实现ＺＶＳ。 结合图２ａ所示Ｂｕｃｋ电路小信号模型，可得到 图２ｂ所示的平均状态空间的小信号模型。增加 ＰＷＭ增益 ，电流采样增益尺；，输出电压分压增益 Ｋ 及Ｌｆ的电压增益Ｋ． 可得到图２所示有限双极 性的整个全桥ＺＶＺＣＳ电路小信号模型。 ３小信号模型的建立 现就小信号模型进行分析推导㈣，假设输出电 感 很大，其电流ｉ 在半个开关周期内维持不变； 所有的开关管和整流管均为理想化模式，设控制电 路输出的占空比为ｄ，主变压器初级绕组匝数为 ， ４控制电路设计 电源的响应频率比开关电源本身工作频率小得 多。因此可通过以上小信号模型，用熟悉的经典理论 次级绕组匝数为 其变比Ｎ＝ｎ ／ｎ ，工作频率为 １／７７． ： ＝ ２＝ （１） 式中ｕ Ｃｒ＝ＣＩ：Ｃ２ 由图２可知．主变压器次级电压从建立到降低 至零的时间为 Ｔ３２＝ｄ—ｔ。。＋￡ｌ２＇由于 两侧的伏秒 积平衡，于是： Ｊ。 ［ （￡）一 ．］ｄｔ Ｊ Ｕ，，ｄｔ（２） 变换器的有效占空比Ｄ，ａ＝ＮＵ，，／ 结合式（２）可 得控制电路输出的有效占空比为： ｄ一争＋争 －－－ｄ一 ＋ （３） 漏感引起的占空比丢失会影响变换器的动态特 性。 取决于控制电路输出的占空比ｄ、负载电流 ｆｎ，Ｌｌｋ， 、开关频率 及Ｃ，和ＣＩｌｏ对给定的Ｌ ，Ｃ 和ＣｌＩ’ ｄ，ｉ『』，Ｕｉ ），各项引入扰动后为： ｄ ，ｄ：：Ｄ＋ａ，Ⅱｉ ＝ ＋Ｃｔｉ ，ｉ＾＝ （４） 式中ａ ａ ｉ ｕ Ａ ［１＋ 一］ｔ２ ａｉ＝－２ｆ．ＮＵ．｛：ｑ￣－ Ｉ＾ Ｅｌｋ ．．丽ｌ２｝ｔｔｘ＝Ａ。＾，』 ｕ＿｛ 面２ｆ ．Ｎｉｕ（４Ｌ ｍ，Ｉ ０ａｉ．＝Ａ 全桥ＺＶＺＣＳ电路是Ｂｕｃｋ电路的派生电路。图 ２示出小信号模型。 （二Ｌ ￡＾ （ｄｉ＋［Ｉｕ）／ＮＲＴ ｇ （ｂ）’ 均状态 ｎＵ的小信 模 图２小信号模型 ｌｌ８ 和方法进行分析．作为控制环路设计的基础。由小信 号电路模型可得各部分的传递函数。功率级增益为： Ｇ Ｉ： Ｕ ￣ 网 ｓ研Ｒ，．Ｃ＋Ｉ： （５） Ｇ 笋 蕊 ｒ（６） 式中Ｒ．１： Ａ ＩＮ 脉宽调制增益为： Ｄ＝ （ ．一ＵＩ） （７） Ｕ 式中 ． 一锯齿波的幅值 ——锯齿波低点电压值 ——比较的直流信号电压 那么ａ（ｓ）＝ｄ ．／ ，贝０ （ｓ）＝ｌ／Ｕｍ。 电流采样及比较增益尺 为常量；输出电压分压 及比较增益 。为常量；电感电压及比较增益Ｋ 为 常量；误差放大器增益为Ｋ．＋ｌ／（ｓＴ）。可得电压环开 环增益： Ｇ“（ｓ）＝ （８） 电流环开环增益为： Ｇ ） （９） 控制电路的设计目标是使开关电源在各种工况 下均能稳定工作。并且达到要求的动态性能。依电源 各项指标确定主电路参数后。控制电路设计的核心 工作是电压、电流反馈控制系统的设计［４１。以上各环 节除误差放大器补偿环节外，其余环节如电压、电流 反馈系数可先行确定，反馈系数确定后，主要通过设 计误差放大器电路来保证系统的稳定性和动态特 性。电流模式控制【５Ｊ反应速度快，但纹波系数较大，电 路设计较为复杂；电压模式的控制电路设计简单，反 应速度相对较慢．为了在保持系统稳定性的前提下 提高反应速度，设计了以电压环为主的多环控制方 式。电流环用于控制负载的电流。以实现限流功能。 传统的电压模式控制只对输出电压采样。并将 采样信号作为反馈信号实现闭环控制，以稳定输出 电压。在其控制过程中，电感电流未参与控制，变换 器为二阶系统．有两个状态变量，即 的电压 和 的ｉ ，因此需要对误差放大器补偿网络进行精心设 维普资讯 http://www.cqvip.com 一种电力操作电源的建模与控制环路设计 ¨ 图３部分控制电路 图中 ＵＩ 一变换后的给定电压，Ｉ 一电流给定值 １９９８，１３（４）：６０１～６０７． 毫豢 ｇｅ６ＰＷＭＦ …… ｏｎｄａｒｙ Ａｃｔｉｖｅ Ｃｌａｍｐ［Ｊ］．ＩＥＥＥ Ｔｒａｎｓ．ｏｎ Ｐｏｗｅｒ Ｅｌｅｃｔｒｏｎ．ｉｃｓ． ５ 试验结果 为了验证本电路的工作原理，采用该方案研制 成功２２０Ｖ／２０Ａ电力操作电源。实验所用的参数为： 设计ｕ】・电工技术学报，２０００，１５（６）：３５～３９． ［３１ ＨａｎｇｓｅｏｋＣｈｏｉ，Ｊ Ｗ Ｋｉｍ，Ｊ Ｈ Ｌｅｅ，ｅｔ ．Ｍｏｄｅｌｉｎｇ，Ａｎａｌｙｓｉｓ ａｎｄ Ｄ ｓ 。ｆｌ０ｋＷ Ｐａｒｌａｌｅ１ Ｍｏｄｕｅ Ｚｅｒｏ‘Ｖ。ｌｔａｇｅ Ｚｅｒｏ‘ ｉ ｃ １，， ，， ，（１８０￣３００Ｖ可调）；变压器初级漏感Ｌｌｋ＝１０１．￣Ｈ；阻断 流输入 电压 ，＝ ， ｈｅｄ Ｆ ｕｌ ｌＢｒｉｄｈＡ。ＥＥＥ… 电容Ｃｂ＝２￣Ｆ；并联电容Ｃ－＝Ｃ２＝Ｃ￣＝１５ｎＦ；输出滤波电 ［４１ Ｌ Ｒ ＩＪｅｗｉ Ｂ Ｈ Ｃｈ。。Ｃ Ｌｅｅ，ｅｔ ．Ｍｏｄｅｌｉｎｇ，Ａｎａ１ｖｓｉｓ ａｎｄ ． 感Ｌｒ＝５ｍＨ，输出滤波电容Ｃｆ＝１８００１．￣Ｆ，开关频率 ＝２０ｋＨｚ；Ｃ４ ７＝４７ｎＦ，Ｒ４３６＝４．７ｋｆｌ。 Ｄｅｓｉｇｎ。ｆ Ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｅｄ Ｐｏｗｅｒ Ｓｙｓｔｅｍｓ【Ａ】．ＰＥＳＣ，８９ Ｒｅｃｏ ２０ｔｈ Ａｎｎｕａｌ ＩＥＥＥ ２６～２９ Ｊｕｎｅ［Ｃ］．１９８９ １（ｓ）：１５２－１５９． 图４示出实验波形，图４ａ是负载电流为２Ａ时 ， ［５１ Ｒｏ ｕｏ Ｌ ｓｐｉａｚｚｉ Ｇ・Ｄｅｓｉｎ Ｃｏｎｓｇｉｄｅｒａｔｉ。ｎｓ ｏｎ Ｃｕｒｒｅｎｔ・ ａ ，超 耋 ｍｃ…ｏｄｅ 一ａｎｄ Ｖｏｌｔａｇ ｅ－ｍ９ｄｏ７ｅＣ ２９８３～９ ．ｅｔｈｄｏ ｓ 实现了零电压和零电流开关；图４ｂ是从空载到 …： ’ 厂 一 ｛ 欢迎网上投稿！‘筒 。 丁 …………… 一 一一＋．一：—— ｛ 。 ‘ 。 ‘ 。 。 ‘ 。 。 。 ‘ ‘ － Ｅｍａｉｌ：ｄｌｄｚｊｓｔｇ＠１６３．ｃｏｒｎ 。 ‘ ‘＋－ 。 ‘ － 。＋。＋‘＋‘＋‘＋‘＋‘＋‘＋‘＋‘＋ ＋‘＋ ＋ ＋‘＋ｉＴ ‘ ；
