董岳昆，高仕紅，董效杰，馬紫琬，黃 京，陳 謙

(湖北民族大學(xué) 智能科學(xué)與工程學(xué)院，湖北 恩施 445000)

由于開關(guān)電源具有體積小、效率高、成本低等優(yōu)點(diǎn)，在民用工業(yè)、軍用工業(yè)和科研實驗等領(lǐng)域得到廣泛的應(yīng)用，開關(guān)電源正朝著高頻化、綠色化、模塊化的方向發(fā)展[1].隨著實驗設(shè)備越來越多，對電能的多樣性需求也越來越大[2]，多路輸出電源可為多臺設(shè)備提供可變的多樣電能，減少了電源所占空間并簡化了線路的復(fù)雜性，還降低了成本.

最初的多路輸出電源，如堆疊式反激電路[3-4]，通過設(shè)置n個變壓器，實現(xiàn)n路獨(dú)立輸出，此方法存在體積大、成本高和控制復(fù)雜等問題.目前，較多學(xué)者研究通過在變壓器副邊設(shè)置多個繞組的方法實現(xiàn)多路電壓輸出[5-8]，然而隨著輸出路數(shù)的增加，電源的效率與功率密度明顯下降，若有一路發(fā)生短路故障，會導(dǎo)致同一變壓器上其他繞組的輸出不正常.何青青等[9]提出一種開環(huán)多路諧振電源，通過去除LCLC串并聯(lián)諧振網(wǎng)絡(luò)，從而提高功率密度并簡化電路.奕麗芳等[10]采用一種前級LLC諧振電路，后端串接獨(dú)立功率開關(guān)電路，可實現(xiàn)任一路發(fā)生故障時，可快速切除故障，不影響其他各路正常工作.

傳統(tǒng)多路輸出電源沒有考慮多路調(diào)壓變頻和端口之間相互影響等問題，無法實現(xiàn)大范圍調(diào)壓變頻.本文研究一種具有兩路輸出的實驗室用調(diào)壓變頻電源，母線電壓經(jīng)斬波調(diào)壓與逆變調(diào)頻實現(xiàn)交流的調(diào)壓變頻，通過斬波調(diào)壓實現(xiàn)直流輸出，交流端口可輸出電壓為0～275 V、頻率為1～400 Hz的可調(diào)交流電，電源直流端口可輸出0～400 V直流電，功率為5 kW.

1 電源結(jié)構(gòu)

所提出的電源拓?fù)溆?部分組成，包括AC-DC整流端口、全橋DC-DC變換器、交流調(diào)壓變頻模塊、直流調(diào)壓模塊，電源主電路如圖1所示.圖1中交流調(diào)壓變頻模塊與直流調(diào)壓模塊共用DC-DC高頻變壓器后級直流母線，AC-DC模塊采用全橋不可控整流將市電整流為直流；隔離級DC-DC變換器采用單向全橋高頻逆變與全橋整流，將前311 V直流通過高頻變壓器升壓至460 V直流；交流調(diào)壓模塊包含Buck電路與全橋逆變電路，通過Buck調(diào)節(jié)直流電壓從而控制交流輸出大小，還能控制逆變器來調(diào)節(jié)輸出頻率，可實現(xiàn)電源的電壓幅值與頻率獨(dú)立調(diào)節(jié)而互不干涉；直流調(diào)壓模塊為Buck電路，將直流母線上的直流電壓降至所需電壓值.

圖1 電源電路Fig.1 Power supply circuit

(a)開關(guān)管導(dǎo)通時的等效電路圖 (b)開關(guān)管關(guān)斷時的等效電路圖圖2 Buck變換器的2種工作模式Fig.2 Two working modes of Buck Converter

采用此拓?fù)鋵崿F(xiàn)交直流輸出調(diào)壓電源具有以下優(yōu)點(diǎn)：

1) 整個拓?fù)洳捎萌珮蛲負(fù)?，該拓?fù)溥m合大功率場所，使用高頻變壓器，不僅大大減小了電源體積與重量，還提高了電源的功率密度，克服了工頻變壓器效率低等缺點(diǎn).

2) 直流調(diào)壓模塊與交流調(diào)壓變頻模塊共用直流母線，使得電源可以同時輸出交流與直流，當(dāng)任意一路發(fā)生故障時，可以快速切除故障，不影響其他路輸出.針對應(yīng)用場合，還可以增加輸出端口.

3) 交流調(diào)壓變頻模塊采用了Buck逆變器，通過Buck調(diào)壓與逆變器調(diào)頻可輕松實現(xiàn)定壓調(diào)頻或定頻調(diào)壓，更適合實驗室的調(diào)壓變頻實驗，控制簡單且獨(dú)立，系統(tǒng)運(yùn)行可靠.

2 電源的數(shù)學(xué)模型

為了保證電源具有良好的動、靜態(tài)性能，必須對系統(tǒng)進(jìn)行建模和控制器設(shè)計.由于模塊變換器屬于典型的非線性、時變的動態(tài)系統(tǒng)，無法直接利用經(jīng)典的線性系統(tǒng)理論進(jìn)行分析設(shè)計，故利用狀態(tài)空間平均法建立了數(shù)學(xué)模型.由于電源輸出分別控制Buck斬波調(diào)壓與逆變器調(diào)頻，所以數(shù)學(xué)模型的建立按照Buck與逆變器分別進(jìn)行.

2.1 Buck的小信號數(shù)學(xué)模型

Buck變換器的2種工作狀態(tài)下的等效電路如圖2所示.圖2(a)為工作在開關(guān)管導(dǎo)通模式的等效電路圖，圖2(b)為工作在開關(guān)管關(guān)斷模式的等效電路圖.

Buck電路工作在連續(xù)導(dǎo)通模式(continous conduction mode，CCM)下，如圖2(a)所示.當(dāng)開關(guān)管導(dǎo)通，二極管關(guān)斷，L被充電，iL對電容充電并為負(fù)載提供能量，iL線性上升，電路的狀態(tài)方程與輸出方程如下：

(1)

(2)

(3)

2.2 逆變器的數(shù)學(xué)模型

逆變器工作在雙極性正弦脈寬調(diào)制(sinusoidal pulse width modulation,SPWM)方式，選取電感電流iL和電容電壓uC為狀態(tài)變量，選擇開關(guān)函數(shù)s(s=1表示橋臂中點(diǎn)輸出正電壓，s=0表示橋臂中點(diǎn)輸出負(fù)電壓)作為參量，將直流母線電壓Vd看作為一個理想恒定不變的輸入量，因SPWM控制輸入造成了系統(tǒng)的非時變，狀態(tài)空間平均簡化為求輸入控制的移動平均值，對于規(guī)則采樣脈寬調(diào)制，s的移動平均值為

(4)

式(4)中，vm(t)為任意波形的調(diào)制輸入信號瞬時值，Vt為三角載波幅值.連續(xù)狀態(tài)空間的平均模型方程如下[12]：

(5)

3 硬件參數(shù)設(shè)計

3.1 Buck電路濾波器設(shè)計

(6)

(7)

根據(jù)式(6)(7)計算得，電感值為1.8 mH，電容值為31.2 μF，選取電感值為2 mH，電容值為40 μF.

3.2 逆變器濾波器設(shè)計

在SPWM逆變器中，逆變器的濾波器主要用來濾除開關(guān)頻率及其附近頻率的諧波，其中轉(zhuǎn)折角頻率ωn與阻尼比ξ會影響濾波效果.逆變器開關(guān)頻率fs=10 kHz，取LC濾波器的轉(zhuǎn)折頻率為開關(guān)頻率的1/10，即fn=1 kHz.

對于常K型低通濾波器，LC的串聯(lián)阻抗Z1與并聯(lián)阻抗Z2乘積可表示為[14]

(8)

(9)

(10)

圖3 Buck控制框圖Fig.3 Buck control block diagram

4 電源的控制策略

控制在電源中有著很重要的作用，控制系統(tǒng)將直接決定著電源的性能與穩(wěn)定性.電源需要考慮Buck調(diào)壓控制、逆變器調(diào)頻控制、全橋DC-DC變換器控制[15-16].

4.1 Buck調(diào)壓控制策略

電源通過控制Buck斬波調(diào)壓實現(xiàn)交流調(diào)壓，與逆變器調(diào)壓相比，斬波調(diào)壓具有更寬的調(diào)壓范圍，且輸出與占空比成線性關(guān)系，控制更為簡單方便.Buck控制決定電源系統(tǒng)的動態(tài)響應(yīng)與調(diào)壓精度，因此采用雙閉環(huán)比例積分(proportional integral，PI)控制器，電流內(nèi)環(huán)使系統(tǒng)具有較快的響應(yīng).

Buck控制框圖如圖3所示.其中，ki、ku為電流、電壓采樣系數(shù)，Gid(s)為電感電流對占空比的傳遞函數(shù)，Z(s)為輸出電壓對電感電流的傳遞函數(shù).反饋電壓與電壓參考值Uref(s)比較，比較后的誤差經(jīng)電壓PI控制器GV(s)校正后得到了電流內(nèi)環(huán)的電流參考信號，再與電感電流信號進(jìn)行比較，比較值通過電流PI控制器Gi(s)校正后得到控制信號，控制信號經(jīng)PWM調(diào)制器GPWM(s)產(chǎn)生PWM信號，從而控制功率管的開斷；兩端口調(diào)壓控制策略相同.

4.2 全橋DC-DC變換器與逆變器調(diào)壓變頻控制策略

全橋DC-DC變換器采用移相控制，如圖4所示.整流側(cè)的電容電壓作為反饋信號，與基準(zhǔn)電壓Vref作差，誤差值經(jīng)過電壓控制器PIV(s)校正后進(jìn)入移相調(diào)制器，產(chǎn)生移相信號控制開關(guān)管的開斷時間，從而穩(wěn)定直流母線的電壓.

圖4 全橋DC-DC變換器與變頻調(diào)壓模塊控制結(jié)構(gòu)框圖Fig.4 Control structure block diagram of full bridge converter and variable frequency voltage regulation module

逆變器由SPWM進(jìn)行調(diào)制，根據(jù)SPWM產(chǎn)生原理，由調(diào)制波與載波進(jìn)行比較從而產(chǎn)生SPWM逆變器輸出電壓，輸出幅值由調(diào)制比(調(diào)制波幅值與載波幅值之比)來決定，而輸出頻率則是由調(diào)制波頻率來決定，即改變調(diào)制波的頻率就可以改變逆變器的輸出頻率，全橋DC-DC變換器與變頻調(diào)壓模塊控制結(jié)構(gòu)如圖4所示.這里采用開環(huán)控制，通過改變調(diào)制波頻率從而改變輸出頻率.

5 仿真與驗證

為驗證電源拓?fù)渑c控制策略的正確性，在Matlab/Simulink中構(gòu)建了仿真模型，如圖5所示.模型參數(shù)如下：輸入電壓為220 V交流，整流電容取3 000 μF，高頻變壓器變比為1∶1.5，高頻濾波電容為200 μF，Buck電路的電壓控制環(huán)為kpv=10，kiv=75，電流控制環(huán)kpi=5，kii=10，Buck濾波器L1=2 mH,C1=40 μF，逆變器濾波器L2=2 mH，C2=22 μF，其中負(fù)載為阻感性負(fù)載.

圖5 電源仿真模型Fig.5 Simulation model of power supply

通過仿真以下情況來檢驗系統(tǒng)性能：① 通過仿真交直流端口同時升壓與降壓的情況，驗證其交直流端口調(diào)壓輸出性能以及輸出之間的相互影響.② 通過仿真交流變頻輸出情況，驗證電源變頻輸出的性能以及對直流端口的影響；仿真交流由空載突加阻感性負(fù)載情況，驗證電源發(fā)生負(fù)載突變的情況下電源的魯棒性.

5.1 交直流調(diào)壓性能分析

給出交直流端口同時升壓與降壓時，交直流端口及母線電壓波形如圖6與圖7所示.

(a) 交流端口 (b) 直流端口 (c) 母線圖6 升壓波形Fig.6 Boost waveform

(a) 交流端口 (b) 直流端口 (c) 母線圖7 降壓波形Fig.7 Step down waveform

交直流端口同時升壓情況，如圖6所示.電源在0.04 s時，交流端口電壓從100 V上升到275 V，輸出波形高度正弦；直流端口由100 V上升至300 V，經(jīng)過一個短暫的過調(diào)制后，直流端口穩(wěn)定在300 V；由圖6(c)可知，交直流母線電壓在0.04 s處產(chǎn)生了15 V的電壓脈動，這是由于交直流輸出端口同時升壓導(dǎo)致的母線電壓跌落并產(chǎn)生振蕩，在0.005 s后，母線電壓趨于穩(wěn)定，母線電壓波紋穩(wěn)定在5 V左右.

交直流端口同時降壓情況，如圖7所示.電源在0.04 s時，交流端口電壓從275 V開始下降，經(jīng)過0.04 s后穩(wěn)定在100 V；直流端口電壓300 V經(jīng)過0.01 s后，穩(wěn)定在100 V；由圖7(c)可知，交直流母線電壓在0.04 s處電壓升高，這是由于交直流端口同時降壓導(dǎo)致能量流動變慢，引起母線電壓升高，經(jīng)過0.06 s后母線電壓趨于穩(wěn)定.

由圖6與圖7分析可知，系統(tǒng)輸出電壓服從給定值，交直流端口輸出互不影響，具有較快的動態(tài)響應(yīng)速度與輸出精度，表明系統(tǒng)具有較好的調(diào)壓性能.

5.2 交流變頻及負(fù)載突變穩(wěn)定性分析

給出交流端口變頻與負(fù)載突變時，交直流端口及母線電壓波形如圖8與圖9所示.

交流端口變頻情況，如圖8所示.電源在0.04 s時，交流輸出頻率從50 Hz變?yōu)?00 Hz,輸出交流電壓保持275 V不變；直流端口輸出保持在200 V不變；交直流母線電壓仍然保持在5 V左右的波紋如圖8(c)所示.

(a) 交流端口 (b) 直流端口 (c) 母線圖8 變頻波形Fig.8 Frequency conversion waveform

(a)交流端口電壓 (b)交流端口電流 (c)直流端口電壓 (d)母線電壓圖9 負(fù)載突變波形Fig.9 Load sudden change waveform

交流端口負(fù)載突變情況，如圖9所示.電源在0.04 s時，由空載突加阻感性負(fù)載，交流端口輸出電流由0 A變?yōu)?.2 A左右，交流輸出電壓保持在275 V，如圖9(a)(b)所示；直流端口輸出穩(wěn)定在300 V，如圖9(c)所示；由圖9(d)可知，交直流母線電壓波紋在0.04 s時增加10 V左右,這是由于負(fù)載突變導(dǎo)致母線電壓振蕩，在0.01 s后母線電壓波紋趨于穩(wěn)定.

由圖8與圖9分析可知，在交流端口頻率發(fā)生變化或負(fù)載發(fā)生突變時，其交直流端口輸出電壓不會受到擾動，系統(tǒng)仍能穩(wěn)定輸出，表明系統(tǒng)具有較強(qiáng)的魯棒性與變頻性能.

6 結(jié)論

本文提出了一種交直流輸出調(diào)壓電源，分析了電源拓?fù)涞脑砼c優(yōu)勢，詳細(xì)闡述了系統(tǒng)的濾波參數(shù)設(shè)計過程與電源的控制策略.在Matlab中建立了電源系統(tǒng)模型，為驗證電源的調(diào)壓變頻性能與負(fù)載能力，對電源的升壓、降壓、變頻與負(fù)載突變等情況進(jìn)行了仿真研究.通過分析可知，提出的電源系統(tǒng)具有動靜態(tài)特性好、調(diào)壓變頻范圍廣、輸出端口互不影響、魯棒性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，為大功率交直流輸出電源提供了一種參考方案.