【正文】 章 Boostflyback 變換器 12 里面，一個(gè)非線性大信號模型實(shí)際的開關(guān)元件可以得到。采用直流和小信號電路模型，包括寄生分量導(dǎo)出的方程為直流電壓增益和效率。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。 LDCSD 1C R LD 2 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。 Boost DCDC變換器結(jié)構(gòu)圖見圖 22。 重新整理以上公式，變換器的輸出電壓可以表示為： dt tdiLttVgtv Lo )()()()( ?? ? (23) 式中 : Uo 代表輸出電壓 。 ()t? 代表開通時(shí)間 比例 。 Li 代表電感電流。通過對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。也大概知道了 Boost_Flyback 的缺陷和通過什么方式進(jìn)行改進(jìn)。以達(dá)到任務(wù)要求的標(biāo)準(zhǔn)。 變壓器匝數(shù)計(jì)算 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=。 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。 R D TIIDRTI Dinm o s )2?? （有效 (34) )( 2Dinmo s IIDI ??有效 (35) 15 inoin VPI ? (36) LoD RDVI ??? )1(2 (37) Loinom o s RDVVPDI ??? )1(有效 (38) ???? 16 0010 040 022ooL PVR (39) 當(dāng)輸入電壓最低時(shí)，流過 MOS 管的電流最大： AVPI in 520xx 0m a x ??? (310) 預(yù)留 MOS 管最大電流裕量，設(shè)最大電流為 10A。將 D=， Vin=20V 代入 Boost 的輸入輸出電壓公式 : )1/( DVV inout ?? (311) VDVV inou t 201 ????? (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。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。 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。本開關(guān)電源的頻率為 100kHz,因此 T=10us。 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)第 3 章 電路參數(shù)計(jì)算及控制器設(shè)計(jì) 16 格選取一致。 計(jì)算 Boost 電路電流處于臨界狀態(tài)時(shí)的電感值： uHfIoDVi 2 4 0~1 2 02 )1( ?? (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。由于開關(guān)頻率很高，選擇肖特基二極管， ST 公司的 10A，最大反向重復(fù)電壓為100V，滿足設(shè)計(jì)要求。單環(huán)控制系統(tǒng)因其結(jié)構(gòu)組成簡單設(shè)計(jì)研究便捷被廣泛使用，對開關(guān)變換器，一 般對輸出電壓控制，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，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。 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)。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 17 信號時(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)。2，平均電壓閉環(huán)控制系統(tǒng)，具有較強(qiáng)的抗干擾能力 。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)是對噪聲非常敏感 。3，峰值檢測誤差，峰值電壓的閉環(huán)控制系統(tǒng)以上 。 控制器設(shè)計(jì) 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： ov()vdGs)( sG vP Irefv?? 1K 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)。 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，并對整個(gè)系統(tǒng)進(jìn)行仿真。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)的例子很多。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)。 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 ,對降低靜差有很大的好處。 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。在試湊時(shí) ,一般根據(jù)以上參數(shù)對控制過程的影響趨勢 ,對參數(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。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。但也不是絕對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。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。先比例然后積分，最終再把微分添。曲線繞大灣漂浮，比例的度盤往小調(diào)。曲線波動(dòng)其周期很長，可以把積分時(shí)間再加長一些。波動(dòng)慢來動(dòng)差大，可以加長微分時(shí)間。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。 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。 按照穩(wěn)定邊界法經(jīng)驗(yàn)公式表以及對應(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)。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，不對的地方按照方式來調(diào)節(jié)，直到滿意為止。 19 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) 在彈出的對話框 中填入相應(yīng)的變量名，比如 P,i 3)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)間所以設(shè)的長一點(diǎn)。其公式為 : ( s T ) / s T ) + (1 *k = G( s ) (316) 其中 Gain 為比例系數(shù)值， Time Constant 為時(shí)間常數(shù)。初始參數(shù)的意義即 相當(dāng)于沒有 PID 調(diào)節(jié)器的校正前系統(tǒng)。 =， Ki=0 。因此可以用穩(wěn)定邊界法來整定 PID 參數(shù)，以獲得理想的系統(tǒng)性能。根據(jù)前面的口訣調(diào)節(jié)，完全可以找到相對穩(wěn)定的 Kp取 Kp=。曲線繞大灣漂浮，比例的度盤往小調(diào)。曲線波動(dòng)其周期很長，可以把積分時(shí)間再加長一些等技巧。再次仿真。再次仿真。 =,Ki=,KD= 圖 37 試湊仿真圖 (e) 根據(jù)公式我們可以進(jìn)一步優(yōu)化波形，所以減小 KD 的值，當(dāng) KD=,進(jìn)一步仿真圖如下： 第 3 章 電路參數(shù)計(jì)算及控制器設(shè)計(jì) 22 =,Ki=,KD= 圖 38 試湊仿真圖 (f) 試湊數(shù)據(jù)總結(jié)： 表 31 PID 試湊調(diào)試選擇的數(shù)據(jù) 調(diào)節(jié)規(guī)律 整定參數(shù)結(jié)果 Kp Ki KD P PI PID 基于邊界整定法的經(jīng)驗(yàn)公式 ： 圖 39 試湊法公式參考 注：不一定嚴(yán)格按照此規(guī)律根據(jù)實(shí)際情況調(diào)節(jié)，達(dá)到最優(yōu)為目的。并在比較合適靈敏度和穿越頻率，合理的設(shè)計(jì)控制方式的補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)。奠定了成功完成時(shí)域仿真的下一章節(jié)的理論基礎(chǔ)和原理性的論證。這種整定方法步驟簡單、工作量少、容易被工程技術(shù)人員理解和掌握，仿真的結(jié)果也表明這種方法的有效性，具有較高的實(shí)用價(jià)值。 第 4 章主電路的仿真及結(jié)果分析 24 第 4 章 主電路的仿真及結(jié)果分析 PSIM 電力電子仿真軟件 PSIM 全稱 Power Simulation，是美國 Powersim 公司開發(fā) 的一款針對電力電子與電動(dòng)機(jī)仿真的軟件，在歐美和日本廣為使用。它將半導(dǎo)體功率器件等效為理想開關(guān)，能夠進(jìn)行快速的仿真，所以對于初學(xué)者來說更容易掌握。 PSIM 是電力電子和軟件仿真應(yīng)用程序包的電機(jī)控制領(lǐng)域的領(lǐng)域的發(fā)展趨勢。仿真和分析系統(tǒng)，不僅電路仿真單元，連接仿真器和其它公司也可以提供高效率的發(fā)展，模擬環(huán)境為用戶。 PSIM 可以分析包括模擬電路，數(shù)字電路和混合電路。 PSIM 產(chǎn)品在航空航天，船舶，電力 電子，汽車設(shè)計(jì) /制造領(lǐng)域中使用。在 PSIM 模型中有一定量的特殊電源設(shè)備和電力電子器件，并提供了高精度的電路仿真模型庫中，為了有效地解決該變壓器模型的設(shè)計(jì)的問題。人們更注重的電子產(chǎn)品（ PI），對于具有高效率，低功耗，低噪音的高精密電源市場需求的電源完整性，小體積也越來越大。因 此，一個(gè)良好的，專業(yè)的電源設(shè)計(jì)軟件不僅在電源產(chǎn)品，它是從事設(shè)計(jì)及電源技術(shù)的設(shè)計(jì)開發(fā)必要的工具。官方也一直在更新此軟件。 Saber 仿真軟件是一個(gè)功能非常強(qiáng)大的電路仿真軟件，尤其適合應(yīng)用在開關(guān)電源領(lǐng)域的時(shí)域和頻域仿真。同時(shí)，軟件模型需要設(shè)置大量的參數(shù)，仿真耗時(shí)長，不適合新手學(xué)習(xí)，對仿真精確度要求不高的話，不建議學(xué)習(xí)這個(gè)軟件。 仿真輸出結(jié)果及分析 仿真主電路 主電路硬件仿真系統(tǒng)的，設(shè)計(jì)參數(shù)參照第二章和第三章，仿真包括頻域和時(shí)域仿真。第三章詳細(xì)介紹了第 、 節(jié)。本次 PSIM 仿真中設(shè)置仿真時(shí)長 (Total Time)為 ，步長 (Time Step)為 5* 108s。 第 4 章主電路的仿真及結(jié)果分析 28 圖 428 Boost_flyback 總輸出的電壓波形 圖 429 Boost_flyback 總輸出電壓紋波 圖 427 為顯示了一種新型的高增益提升為轉(zhuǎn)換器的仿真波形，從圖 429 示出了輸入電試驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證理論分析的正確性。輸出是通過反激變換器和 Boost 變換器輸出串 聯(lián)。 變化的輸入電壓，輸出電壓的響應(yīng)曲線 對輸入的電壓，給一段 20~40V 變化，頻率為 4Hz 的方波電壓，觀察輸出電壓在根據(jù)輸入電壓的變化曲線。 29 圖 4210 2Hz 的變化輸入電壓，輸出電壓的波形 圖 4211 4Hz 的變化輸入電壓，輸出電壓的波形 從上圖的曲線可以看出，閉環(huán)控制完全滿足對控 制的要求，針對輸入的電壓的變化，變換器會(huì)有很好的響應(yīng)來達(dá)到輸出的要求，再一次 驗(yàn)證 變換器滿足本文的參數(shù)要求，穩(wěn)定輸出 400V。 由理論值與實(shí)驗(yàn)得到的數(shù)據(jù)結(jié)果一致的。從 輸出電壓的輸出波形 ， 可以清楚的看出閉環(huán)控制能夠很好的控制輸出，在較短的時(shí)間內(nèi)調(diào)整到目標(biāo)的輸出值。 從 50%的負(fù)載突然加到滿載的輸出電壓波形和電流波形： 圖 4213 負(fù)載從 50%加到滿載仿真圖 上圖是負(fù)載按 8Hz 的頻率，從 100%突然減少到 50%，從 50%突然增加到 100%，即：在滿載的時(shí)候，負(fù)載電阻是 1600 歐，在 50%的負(fù)載的時(shí)候，負(fù)載電阻是 3200 歐。完全滿足本文的設(shè)計(jì)要求。驗(yàn)證了理論計(jì)算，分析在模擬的可行性，優(yōu)點(diǎn)和系統(tǒng)的缺點(diǎn)。該控制器采用雙閉環(huán)控制，分別在每個(gè)模式設(shè)計(jì)。該方法用于調(diào) 整 PI 控制器和 sT 微分參數(shù)，做了很多的模擬實(shí)驗(yàn)以得到最佳參數(shù)。 （ 2） 分析了 Boost_flyback 變換器的電路拓?fù)涞墓ぷ髂Ｊ胶凸ぷ髁鞒?，重點(diǎn)分析工作原理，對這種拓?fù)溆泻芎玫恼J(rèn)識(shí)和學(xué)習(xí)，可以更好的應(yīng)用到實(shí)際項(xiàng)目和科學(xué)研究中 。 （ 3） 通過迭代優(yōu)化的參數(shù)，滿足開關(guān)實(shí)現(xiàn)的全部條件，保證了在較寬負(fù)載和輸入輸出電壓范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn) 輸入輸出功能 ，提升了電路 輸出穩(wěn)定性 ，同時(shí)解決了 變換器 存