【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 C變換器模型從本質(zhì)上來說，Boost變換器在電感充電的過程中，同Boost變換器開通過程一樣。當(dāng)開關(guān)控制關(guān)閉，開關(guān)管導(dǎo)通提供回路共電感放電。雖然需要更多的元件和額外的開關(guān)邏輯時(shí)序，但是該拓?fù)涮岣吡斯ぷ餍?，更快的開關(guān)導(dǎo)通時(shí)間，與二極管相比更低的場(chǎng)效應(yīng)晶體管串聯(lián)電阻。一個(gè)平均電路模型可以表示的寄生電阻效應(yīng)升壓轉(zhuǎn)換器。在里面，一個(gè)非線性大信號(hào)模型實(shí)際的開關(guān)元件可以得到。此模型是用于電壓的設(shè)計(jì)和分析有用和電流回路和用于輸入和輸出阻抗該轉(zhuǎn)換器平均電流控制。采用直流和小信號(hào)電路模型，包括寄生分量導(dǎo)出的方程為直流電壓增益和效率。以恒定頻率以及控制穩(wěn)態(tài)分析策略在可變頻率模式的變形回掃變換器。升壓轉(zhuǎn)換器單元的電流共享特性已被來自用于解析表達(dá)式穩(wěn)態(tài)運(yùn)行。由采用耦合電感，一個(gè)集成的升壓，反激轉(zhuǎn)換器與高電壓增益，提出了高效率、高電壓升壓轉(zhuǎn)換器的增益，其中的操作類似于其對(duì)應(yīng)與的有源鉗位電路，只有一個(gè)二極管代替活躍的電源開關(guān)。 圖22 Boost變換器結(jié)構(gòu)圖Boost拓?fù)潆娐? 可以分別寫出 Boost 變換器開通和關(guān)斷狀態(tài)方程。 因?yàn)槊恳粋€(gè)開關(guān)周期都是非常短暫的, 所以我們?cè)谝粋€(gè)開關(guān)周期內(nèi)用空間狀態(tài)平均法來綜合兩個(gè)階段的方程, 可得到一個(gè)有關(guān)輸出電壓和開關(guān)頻率的非線性狀態(tài)方程。Boost DCDC變換器結(jié)構(gòu)圖見圖22。用狀態(tài)空間平均模型來描述同步DCDC Boost變換器，有： (21) (22)其中L為電感感值，C為電容容值，R為負(fù)載電阻，輸入電壓，電感電流，輸出電壓，為占空比。 重新整理以上公式，變換器的輸出電壓可以表示為： (23)式中: Uo 代表輸出電壓。 Ts 代表開關(guān)周期。 代表開通時(shí)間比例。 代表輸入電壓。 代表電感電流。本章介紹了Boost_Flyback電力變換器的工作原理，分析了此電力變換器在系統(tǒng)中的功能作用。通過對(duì)用戶提出的性能分析，進(jìn)行Boost_Flyback電力變換器的電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的分析，確定了以Boost_Flyback拓?fù)渥鳛橄到y(tǒng)的主電路。重點(diǎn)分析Boost_Flyback電力變換器的工作過程中的各個(gè)工作模式下的能量流向，對(duì)變換器的工作狀態(tài)有很好的理解。也大概知道了Boost_Flyback的缺陷和通過什么方式進(jìn)行改進(jìn)。只是簡(jiǎn)單的進(jìn)行了對(duì)其可靠性的分析，設(shè)計(jì)可靠性的理論驗(yàn)證，下面會(huì)進(jìn)行具體的參數(shù)設(shè)計(jì)和具體的仿真研究。以達(dá)到任務(wù)要求的標(biāo)準(zhǔn)。 第3章 電路參數(shù)計(jì)算及控制器設(shè)計(jì)：設(shè)計(jì)單開關(guān)高增益升壓變換器：輸入電壓：20V~40V輸出電壓：400V額定功率：100W開關(guān)頻率：100kHz短路能力：輸出短路時(shí)具有電流限制能力，故障解除后能自然恢復(fù)；保護(hù)功能：具有輸出過壓和欠壓保護(hù)、過流和短路保護(hù)、輸入反極性保護(hù)以及輸入欠壓保護(hù)。 在最低輸入電壓時(shí)，占空比達(dá)到最大值，為保證電路的功率裝換效率，Dmax=。 (31) (32) 在忽略等效電阻的情況下： (33)，最小輸入20V，最大輸出400V代入上式，得匝數(shù)比n=7。 MOS管參數(shù)設(shè)計(jì)當(dāng)開關(guān)管導(dǎo)通的時(shí)候，流過MOS管的電流等于電源的輸入電流減去二極管D1的電流。當(dāng)開關(guān)管關(guān)斷的時(shí)候，MOS管中沒有電流通過。 (34) (35) (36) (37) (38) (39)當(dāng)輸入電壓最低時(shí)，流過MOS管的電流最大： (310)預(yù)留MOS管最大電流裕量，設(shè)最大電流為10A。當(dāng)輸入最小，輸出為最大，MOS管關(guān)斷時(shí)，MOS管兩端的電壓最高。將D=，Vin=20V 代入Boost的輸入輸出電壓公式: (311) (312)計(jì)算得到Boost的輸出電壓為66V，留出裕量，則設(shè)MOS管兩端最大電壓為100V。選擇MOS管時(shí)，在網(wǎng)站上面輸入最大漏源電流，最大漏源電壓，然后選擇比較常用的開關(guān)管品牌。最后選擇英飛凌公司的IPP50R399CP，其最大漏極電流為9A，最大漏源電壓為560V，滿足設(shè)計(jì)要求。在次級(jí)Boost 變換器和次級(jí)Flyback 變換器有相同的電壓和電流，由于輸出的電壓紋波的有限制條件，為了確保輸出電壓的穩(wěn)定。本電路采用的是RC濾波，需要滿足：（3~5）RC=T/2；這里取4RC=T/2。R=U*U/P,將U=400，P=100代入得到電阻R=1600。本開關(guān)電源的頻率為100kHz,因此T=10us。 (313)電容值取得越大濾波效果越好，在實(shí)際電路中取值220uf。在功率變換效率最高時(shí)，C1 和C2 的輸出電壓時(shí)相同的，流過的電流也是相同的，故選擇電容值時(shí)兩個(gè)電容規(guī)格選取一致。：由于此電感在其中的Boost電路中作為電感使用，在Flyback電路中作為變壓器使用，因此電感值取決于Boost電路。計(jì)算Boost電路電流處于臨界狀態(tài)時(shí)的電感值： (314)其中Vi為輸入電壓范圍為20~40V，D為占空比，f為開關(guān)頻率，Io為輸出電流，當(dāng)電感的值小于此，隨電感量的提升輸出紋波變非常明顯，當(dāng)電感量大于時(shí)的L，輸出的紋波隨電感值的增加幾乎不變小,增加了電感量能降低磁滯的損耗，另外鑒于輸入的波動(dòng)等其他方面影響取L=240uH。 Boost電路二極管設(shè)計(jì)其承受最大反向電壓為Boost電路的輸出電壓和MOS管一樣，為66V，電流為Boost電路的最大電流： (315)設(shè)其最大反向電壓為100V，最大電流為10A。由于開關(guān)頻率很高，選擇肖特基二極管，最大反向重復(fù)電壓為100V，滿足設(shè)計(jì)要求。在實(shí)際應(yīng)用中，如果Boost_flyback變換器工作在開環(huán)狀態(tài)，就不能對(duì)能量傳輸進(jìn)行控制，只要出現(xiàn)了擾動(dòng)就會(huì)引起系統(tǒng)的不穩(wěn)定，甚至不安全隱患，因此必須對(duì)Boost_flyback變換器進(jìn)行閉環(huán)控制。單環(huán)控制系統(tǒng)因其結(jié)構(gòu)組成簡(jiǎn)單設(shè)計(jì)研究便捷被廣泛使用，對(duì)開關(guān)變換器，一般對(duì)輸出電壓控制，但當(dāng)系統(tǒng)因輸入的電壓變化或者負(fù)載的突降突增波動(dòng)，輸出的電壓不能很快對(duì)這些擾動(dòng)產(chǎn)生反應(yīng)，所以單環(huán)控制的系統(tǒng)反應(yīng)響應(yīng)延長(zhǎng)，輸出的電壓產(chǎn)生較大的波動(dòng)甚至出現(xiàn)震蕩不穩(wěn)的現(xiàn)象。所以本課題采用單閉環(huán)控制系統(tǒng)對(duì)電壓電流來Boost_flyback變換器進(jìn)行控制。閉環(huán)控制系統(tǒng)是最常用的峰值電流閉環(huán)控制系統(tǒng)和平均電流閉環(huán)控制系統(tǒng)。峰值電流的閉環(huán)控制系統(tǒng)是電壓控制回路作為控制變量，峰值電壓通過開關(guān)管作為反饋，電壓控制回路的輸出信號(hào)，開關(guān)電壓管斷續(xù)狀態(tài)只能被用于控制電壓峰值，所謂的峰值電壓閉環(huán)控制系統(tǒng)。平均電壓的閉環(huán)控制系統(tǒng)是電壓控制回路作為控制變量的輸出信號(hào)時(shí)，電壓流過電感器作為反饋，電壓控制回路，因?yàn)殡姼须妷菏沁B續(xù)的，所謂的平均電壓閉環(huán)控制系統(tǒng)。然而根據(jù)文獻(xiàn)[24]，平均電壓閉環(huán)控制系統(tǒng)具有用于峰值電壓的閉環(huán)控制系電壓放大器統(tǒng)具有以下優(yōu)點(diǎn)：1，平均電壓閉環(huán)控制系統(tǒng)，具有高增益，可以更準(zhǔn)確地跟蹤當(dāng)前設(shè)定值。2，平均電壓閉環(huán)控制系統(tǒng)，具有較強(qiáng)的抗干擾能力。3平均電壓的閉環(huán)控制系統(tǒng)具有較高的控制精度。峰值電壓閉環(huán)控制系統(tǒng)具有用于平均電壓閉環(huán)控制系統(tǒng)存在以下缺點(diǎn)：1，峰值電壓閉環(huán)控制系統(tǒng)是對(duì)噪聲非常敏感。2，電壓閉環(huán)控制系統(tǒng)，以斜率補(bǔ)償，這使得電路結(jié)構(gòu)復(fù)雜化的峰值。3，峰值檢測(cè)誤差，峰值電壓的閉環(huán)控制系統(tǒng)以上。因此本文采用的Boost_flyback DCDC轉(zhuǎn)換器的閉環(huán)控制技術(shù)的用于閉環(huán)控制的平均電壓。Boost_flyback變換器工作穩(wěn)定模態(tài)時(shí)，為了穩(wěn)定輸出電壓，將輸出電壓作為電壓外環(huán)的反饋量進(jìn)行控制；為了使系統(tǒng)動(dòng)態(tài)響應(yīng)性能更好，能更快的反應(yīng)輸入電壓對(duì)系統(tǒng)的影響，將兩個(gè)電路輸出電壓之和作為調(diào)節(jié)電壓的反饋量進(jìn)行控制；其控制框圖如圖331所示：圖31 升壓模態(tài)下控制框圖 圖331中，GvPI(s)為電壓環(huán)的PI控制器；Gvd(s)為傳遞函數(shù)；K1為電壓采樣的采樣系數(shù)。所以對(duì)于電壓環(huán)而言，相當(dāng)于一個(gè)比例環(huán)節(jié)，構(gòu)成一個(gè)閉環(huán)系統(tǒng)。根據(jù)設(shè)計(jì)要求采用試湊法或穩(wěn)定邊界法整定兩個(gè)PI控制器的參數(shù)，使系統(tǒng)穩(wěn)定的前提下快速性好、超調(diào)量小，并對(duì)整個(gè)系統(tǒng)進(jìn)行仿真。試湊法就是根據(jù)控制器各參數(shù)對(duì)系統(tǒng)性能的影響程度,邊觀察系統(tǒng)的運(yùn)行,邊修改參數(shù),直到滿意為止。閉環(huán)控制系統(tǒng)(closedloop control system)的特點(diǎn)是系統(tǒng)被控制因素的輸出(被控的對(duì)象)會(huì)反送回來影響控制器的輸出，形成一個(gè)或者多個(gè)閉環(huán)。閉環(huán)控制系統(tǒng)有正反饋和負(fù)反饋，若反饋信號(hào)與系統(tǒng)給定值信號(hào)相反，則稱為負(fù)反饋( Negative Feedback)，若極性相同，則稱為正反饋，一般閉環(huán)控制系統(tǒng)均采用負(fù)反饋，又稱負(fù)反饋控制系統(tǒng)。閉環(huán)控制系統(tǒng)的例子很多。例如人就像一個(gè)閉環(huán)控制系統(tǒng)，具有負(fù)反饋的特點(diǎn)，眼睛作為傳感器，充當(dāng)反饋，人可以根據(jù)負(fù)反饋?zhàn)龀稣_的決定。但沒了眼睛，就相當(dāng)也沒有反饋回路，就是一個(gè)開環(huán)控制的系統(tǒng)。例如，一臺(tái)全自動(dòng)洗衣機(jī)可以辨別衣服是否洗干凈的反饋，可以在反饋后做出切斷電源的動(dòng)作，它就是一個(gè)典型的閉環(huán)控制系統(tǒng)。一般情況下,KP作為比例系數(shù)的增大會(huì)加快響應(yīng)速的度,對(duì)降低靜差有很大的好處。但很大的KP會(huì)使系統(tǒng)有很大的超調(diào)量,并發(fā)生振蕩現(xiàn)象會(huì)使穩(wěn)定性變的很差。KI的減小積分作用將減小,但減少了超調(diào)卻使系統(tǒng)變得穩(wěn)定許多,但系統(tǒng)消來除靜差的速度會(huì)變慢。KD增加有利于提高系統(tǒng)的響應(yīng)速度,使超調(diào)量減少,穩(wěn)定性也得到增加,但減弱對(duì)干擾的抑制能力。在試湊時(shí),一般根據(jù)以上參數(shù)對(duì)控制過程的影響趨勢(shì),對(duì)參數(shù)實(shí)行先進(jìn)行比例調(diào)節(jié)、后積分修正、再微分調(diào)整的實(shí)施步驟來進(jìn)行試湊整定。本系統(tǒng)適合應(yīng)用PI整定，因?yàn)镻I和PID的區(qū)別在于PID加入了微分緩解，可提前放大偏差值，PI適應(yīng)大多數(shù)場(chǎng)合，PID適應(yīng)滯后嚴(yán)重的場(chǎng)合。但大多數(shù)情況可通過調(diào)節(jié)P,I,D的參數(shù)達(dá)到同樣的目的。比如一個(gè)調(diào)節(jié)閥開關(guān)動(dòng)作時(shí)間60s，即可以用PI，也可以用PID，效果都還可以，但是本系統(tǒng)的開關(guān)動(dòng)作時(shí)間很短。但也不是絕對(duì)的在低頻段的仿真需要驗(yàn)證KD,有可能可以有更好的結(jié)果。公式對(duì)控制器參數(shù)進(jìn)行整定。無論采用哪種方法所得的控制器參數(shù)，都需要在實(shí)際運(yùn)行中進(jìn)行最后的調(diào)整和完善。 PID參數(shù)整定口訣：參數(shù)整定尋最佳，從小往大順序找。先比例然后積分，最終再把微分添。因曲線振蕩頻繁，比例的度盤放大。曲線繞大灣漂浮，比例的度盤往小調(diào)。其曲線的偏離和回復(fù)很慢，積分時(shí)間可以往下調(diào)節(jié)。曲線波動(dòng)其周期很長(zhǎng)，可以把積分時(shí)間再加長(zhǎng)一些。假如曲線的振蕩頻率很快，先把其微分調(diào)下來。波動(dòng)慢來動(dòng)差大，可以加長(zhǎng)微分時(shí)間。理想的曲線具有兩個(gè)波，前高后低4比1。一注意看二頻繁調(diào)多做分析，調(diào)節(jié)的波形質(zhì)量不會(huì)低的。 試湊法求PI參數(shù)分為以下幾步 1）將積分系數(shù)KI和微分系數(shù)KD設(shè)為0，KP置較小值，使系統(tǒng)投入穩(wěn)定運(yùn)行。 2）逐漸增大比例系數(shù) KP，直到系統(tǒng)出現(xiàn)穩(wěn)定等幅振蕩，即臨界振蕩過程。記錄此時(shí)的KP和臨界振蕩的振蕩周期T。按照穩(wěn)定邊界法經(jīng)驗(yàn)公式表以及對(duì)應(yīng)的調(diào)節(jié)器類型整定相應(yīng)的PID參數(shù)，然后再進(jìn)行仿真校驗(yàn)和微調(diào)。參數(shù)整定尋最佳，從小往大順序找。按照規(guī)律來找，要循序漸進(jìn)，找到穩(wěn)定的在進(jìn)行微調(diào)，按照口訣的方法來，不對(duì)的地方按照方式來調(diào)節(jié)，直到滿意為止。調(diào)節(jié)過程很枯燥，要耐心。具體步驟：1） 在仿真軟件PSIM下搭建控制框圖如下:圖32仿真控制電路框圖2）設(shè)置PID參數(shù)名稱其仿真環(huán)境參數(shù)在彈出的對(duì)話框中填入相應(yīng)的變量名，比如P,i3)在仿真環(huán)境設(shè)置中將“Stop Time”隨機(jī)調(diào)節(jié)，因?yàn)橐婚_始不知道穩(wěn)定時(shí)