廖世茜 肖宇迪 林健鵬 毛行奎

（福州大學(xué)電氣工程與自動(dòng)化學(xué)院，福州 350108）

電力操作電源是用于電力系統(tǒng)的操作電源，按供電電源的性質(zhì)可分為直流操作電源，交流操作電源。其中直流操作電源被廣泛應(yīng)用于發(fā)電廠和變電站中，為控制負(fù)荷和動(dòng)力負(fù)荷以及通信負(fù)荷等提供電源，是當(dāng)代電力系統(tǒng)控制、保護(hù)的基礎(chǔ)。而交流操作電源的輸入和輸出都是交流電，交流電的頻率、相位及電壓特性決定了其不能通過簡(jiǎn)單的并聯(lián)方式來實(shí)現(xiàn)冗余和備份，也就存在供電的單點(diǎn)故障點(diǎn)，一旦出現(xiàn)故障無法用備用電源及時(shí)保證供電。因此，采用直流操作電源為電力系統(tǒng)二次設(shè)備提供電源具有較高的可靠性和穩(wěn)定性。

隨著電力電子器件和集成芯片的不斷革新，開關(guān)電源正朝著小型化、高頻化發(fā)展[1]。開關(guān)頻率的提高縮小了電路中磁性元件的尺寸，有助于實(shí)現(xiàn)電路的小型化，但也造成了開關(guān)損耗的增大。傳統(tǒng)的

硬開關(guān)方式在開關(guān)管導(dǎo)通和關(guān)斷期間會(huì)產(chǎn)生較大的開關(guān)損耗，若采用合理的軟開關(guān)技術(shù)，將大大降低開關(guān)管的開關(guān)損耗，提高轉(zhuǎn)換效率。相比模擬控制技術(shù)，數(shù)字控制技術(shù)具有控制電路簡(jiǎn)單、運(yùn)行穩(wěn)定、控制精度高等優(yōu)點(diǎn)，在電源中應(yīng)用越來越廣泛。

ZVS 移相全橋變換器相比于簡(jiǎn)單的全橋變換器，只增加了一個(gè)諧振電感，就實(shí)現(xiàn)了原邊側(cè)四個(gè)開關(guān)管的ZVS，廣泛應(yīng)用于中大功率開關(guān)電源場(chǎng)合，具有軟開關(guān)、效率高等優(yōu)點(diǎn)[2]。本文基于ZVS 移相全橋技術(shù)、數(shù)字控制技術(shù)，分析了一種數(shù)控DC/DC電力試驗(yàn)電源的設(shè)計(jì)方法，并設(shè)計(jì)一臺(tái)輸出最大電流10A，電壓25～220V dc 連續(xù)可調(diào)、額定功率2.2kW 的實(shí)驗(yàn)樣機(jī)，樣機(jī)具有輸出電壓寬范圍可調(diào)、效率高等特點(diǎn)，驗(yàn)證了設(shè)計(jì)方案的可行性。

1 設(shè)計(jì)分析

1.1 系統(tǒng)方案

電源的功率電路原理框圖如圖1所示。系統(tǒng)采用移相全橋拓?fù)?，將直流電壓變換成所需的直流電。在變壓器的原邊側(cè)，增加一個(gè)諧振電感，通過諧振電感、變壓器T 的漏感與開關(guān)管寄生電容的諧振實(shí)現(xiàn)軟開關(guān)[2]。電容Cb為隔直電容，防止變壓器原邊側(cè)的直流分量造成變壓器飽和[3]。

圖1 數(shù)控DC/DC 電力試驗(yàn)電源功率電路

1.2 移相全橋變換器設(shè)計(jì)

來自電網(wǎng)的交流電經(jīng)前級(jí)功率因數(shù)矯正電路穩(wěn)壓得到380V dc，作為后級(jí)DC/DC 模塊的輸入電壓進(jìn)行輸出電壓調(diào)節(jié)。因?yàn)楸疚难芯康氖荄C/DC 模塊，所以輸入用380V dc 電源代替。在大功率應(yīng)用場(chǎng)合，移相全橋變換器因其開關(guān)管工作在軟開關(guān)狀態(tài)，能有效降低開關(guān)損耗，提高變換器效率而廣受歡迎。

圖2為移相全橋變換器的控制框圖。變換器采用數(shù)字控制策略，MCU 選用 Microchip 公司的dsPIC33FJ32GS606。采樣電路采樣輸出電壓后送入MCU，經(jīng)AD 轉(zhuǎn)換、程序運(yùn)算后得到所需的驅(qū)動(dòng)信號(hào)時(shí)序，繼而通過隔離驅(qū)動(dòng)電路驅(qū)動(dòng)開關(guān)管，實(shí)現(xiàn)變換器的輸出電壓調(diào)節(jié)。

圖2 移相全橋變換器控制框圖

圖3為移相全橋變換器的主要工作波形（具體工作原理可參考如[2]等相關(guān)參考文獻(xiàn)）。同一橋臂的兩個(gè)開關(guān)管互補(bǔ)導(dǎo)通，不同橋臂的開關(guān)管錯(cuò)開一定的相位角開通。利用諧振電感Lr、變壓器T 的漏感與開關(guān)管DS 間寄生電容的諧振，實(shí)現(xiàn)開關(guān)管的零電壓開通與零電壓關(guān)斷，能有效提高變換器的效率和可靠性。

圖3 移相全橋變換器主要工作原理波形

諧振參數(shù)的設(shè)定對(duì)變換器的軟開關(guān)效果至關(guān)重要。若選用開關(guān)管漏源間電容Coss作為諧振電容，則諧振電感的電感值Lr應(yīng)當(dāng)滿足下列條件：

式中，ip_pk(min)為超前臂實(shí)現(xiàn)ZVS 時(shí)的最小原邊電流峰值[4-6]。

圖4為移相全橋變換器數(shù)字控制程序流程圖。采樣電路將輸出電壓采樣量送入MCU，經(jīng)AD 轉(zhuǎn)換、PI 運(yùn)算后得到所需的驅(qū)動(dòng)信號(hào)時(shí)序，繼而通過隔離驅(qū)動(dòng)電路驅(qū)動(dòng)開關(guān)管，實(shí)現(xiàn)變換器的輸出電壓調(diào)節(jié)。

圖4 移相全橋數(shù)字控制程序流程圖

程序采用位置式PI 算法，其算法表達(dá)式為

式中，Kp、KI分別為比例常數(shù)、積分常數(shù)，e(k)、e(i)分別為第k、i次采樣值與基準(zhǔn)值的偏差量。

2 仿真分析

為了初步驗(yàn)證電路的工作原理及電路參數(shù)設(shè)計(jì)的合理性，使用Saber 仿真軟件進(jìn)行閉環(huán)仿真分析。其仿真電路如圖5所示。圖5（a）為變換器主電路拓?fù)洌僭O(shè)開關(guān)管為理想開關(guān)，在理想開關(guān)管的兩端并聯(lián)二極管和電容，用于模擬實(shí)際器件。因?yàn)槭褂昧死硐腴_關(guān)管，因此直接采用芯片的圖騰柱輸出來驅(qū)動(dòng)開關(guān)管；變壓器選用理想變壓器。仿真參數(shù)為：輸入電壓380V dc，移相全橋變換器開關(guān)頻率65kHz，諧振電感80μH，隔直電容0.58μF/630V，變壓器原副邊變比14∶11。圖5（b）為變換器控制電路。在誤差放大器中，輸出電壓采樣量與基準(zhǔn)比較得到誤差信號(hào)，經(jīng)PI 運(yùn)算后得到占空比，移相角生成器根據(jù)占空比得到變換器所需移相角，并驅(qū)動(dòng)主電路中四個(gè)開關(guān)管，實(shí)現(xiàn)輸出電壓調(diào)節(jié)。

圖5 Saber 仿真電路圖

電路閉環(huán)控制時(shí)滯后橋臂上下管S1、S2的驅(qū)動(dòng)波形vgs1、vgs2和超前橋臂上下管S3、S4的驅(qū)動(dòng)波形vgs3和vgs4如圖6所示。從圖中可以看到，S4的驅(qū)動(dòng)波形滯后于S1的驅(qū)動(dòng)波形，二者的導(dǎo)通時(shí)間相差一個(gè)0～180°的移相角，S3的驅(qū)動(dòng)波形滯后于S2一個(gè)0～180°的移相角，說明電路實(shí)現(xiàn)了開關(guān)管的移相控制。

開關(guān)管S2、S4的驅(qū)動(dòng)波形vgs和DS 兩端的電壓vds如圖7所示。當(dāng)開關(guān)的DS 端電壓vds降為零以后，開關(guān)才開始導(dǎo)通，實(shí)現(xiàn)了零電壓開通；當(dāng)開關(guān)關(guān)斷以后，DS 端電壓才從零開始上升，實(shí)現(xiàn)了零電壓關(guān)斷。綜上，電路實(shí)現(xiàn)了ZVS。

圖6 開關(guān)管驅(qū)動(dòng)波形

從開關(guān)管的DS 端電壓波形可看出，vds最大值為380V，與直流源輸入電壓相同，符合設(shè)計(jì)要求。

圖7 開關(guān)管S2、S4 的驅(qū)動(dòng)波形vgs 和 DS 兩端的電壓vds

仿真實(shí)驗(yàn)的時(shí)間設(shè)為0～30ms，步長(zhǎng)為20ns，輸入380V dc，當(dāng)輸出為220V/10A 時(shí)輸出電壓波形如圖8所示。圖中，電壓從零開始上升至220.5V dc后開始下降，最終趨于平穩(wěn)，電壓值穩(wěn)定在220V dc，電壓過沖即超調(diào)電壓為0.5V，超調(diào)量為0.2%，近似無超調(diào)，響應(yīng)時(shí)間為11.5ms，紋波約為0.1V。

圖8 額定工作狀態(tài)下輸出電壓波形

綜上可知，該設(shè)計(jì)方案設(shè)計(jì)合理。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

基于以上分析設(shè)計(jì)的參數(shù)，設(shè)計(jì)了一臺(tái)實(shí)驗(yàn)樣機(jī)。樣機(jī)參數(shù)如下：輸入電壓380V dc，輸出直流電壓25～220V 連續(xù)可調(diào)，輸出電流最大10A，額定220V dc/10A。當(dāng)輸出電流超過10A 時(shí)，輸出轉(zhuǎn)為恒電流輸出 10A。移相全橋變換器開關(guān)頻率65kHz，開關(guān)管選用 IRFP460，其漏源極間電容Coss=480pF，諧振電感80μH，隔直電容0.58μF/630V，變壓器原副邊變比14∶11。實(shí)驗(yàn)樣機(jī)如圖9所示（未標(biāo)出的全橋電路其他器件位于電路板背面）。

圖9 實(shí)驗(yàn)樣機(jī)實(shí)物圖

移相全橋變換器工作波形如圖10至圖12所示，圖10則為不同輸出電壓、輸出電流等于10A 時(shí)S1、S4的驅(qū)動(dòng)電壓、兩橋臂中點(diǎn)電壓vAB及原邊電流波形ip，可以看出變換器在不同的輸出電壓條件下，都可以很好地工作；圖11為輸出電壓220V dc、不同帶載情況下超前臂開關(guān)管S1的驅(qū)動(dòng)電壓vgs、漏源極電壓vds以及諧振電感電流ip波形，在很寬的負(fù)載范圍，S1均可以實(shí)現(xiàn)ZVS；圖12為滯后臂開關(guān)管S4的驅(qū)動(dòng)電壓vgs、漏源極電壓vds以及諧振電感電流ip波形，當(dāng)帶載50%以上，S4實(shí)現(xiàn)ZVS。

在輸入電壓380V dc 條件下，各輸出電壓下測(cè)得實(shí)驗(yàn)樣機(jī)效率曲線如圖13所示。在額定輸出220V dc 條件下整機(jī)的效率最高，此時(shí)輕載大于85%，若帶載大于20%，效率均大于90%，最大95%。

圖10 不同輸出電壓、輸出電流等于10A 時(shí)S1、S4 的驅(qū)動(dòng)電壓、兩橋臂中點(diǎn)電壓vAB 及原邊電流波形ip

圖11 輸出220V dc、不同帶載情況下，S1 驅(qū)動(dòng)電壓vgs、漏源間電壓vds、諧振電流ip

圖12 輸出220V dc、不同帶載情況下，S4 驅(qū)動(dòng)電壓vgs、漏源間電壓vds、諧振電流ip

圖13 輸入380V dc、輸出220V dc 時(shí)的整機(jī)效率曲線

4 結(jié)論

論文根據(jù)電力試驗(yàn)電源功率等級(jí)、輸出電壓寬的特點(diǎn)，采用數(shù)字控制ZVS 移相全橋變換器方案設(shè)計(jì)了一臺(tái)輸出功率2.2kW 電力試驗(yàn)電源。實(shí)驗(yàn)樣機(jī)輸出采用限壓恒流控制，當(dāng)負(fù)載電流超過預(yù)定值（10A）時(shí)，轉(zhuǎn)為恒電流輸出。樣機(jī)電壓范圍寬達(dá)25～220V，在寬的輸出電壓和較大負(fù)載下工作穩(wěn)定，均能實(shí)現(xiàn)原邊側(cè)開關(guān)管的ZVS，有較高效率，驗(yàn)證了系統(tǒng)方案、設(shè)計(jì)和數(shù)字控制有效可行。

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