稳流型开关电源的控制系统

摘　要：在对稳流型开关电源的基本原理进行论述的基础上，通过建立起全桥移项PWM DC/DC 变换器小信号模型，对稳流型开关电源的控制系统进行研究，对稳流型开关电源闭环控制系统的电路组成以及数学模型进行分析和研究。并利用电子仿真软件对该系统进行了仿真分析，结果表明采用系统小信号模型设计形成的稳流型开关电源控制系统完全可行。

关键词：稳流； 开关电源； 控制系统； PSpice

在实际的应用过程中，很多的电气设备都对电源提出了稳流的要求。而在进行稳流的过程中，传统的稳流电源一般都是通过利用线性电源或者是相控电源来达到目的，存在着效率低、体积大、响应速度跟不上、对电网污染大以及可靠性较差的特点。下面将PWM电源控制器UCC3895对中、大功率全桥移相软开关控制的恒流型开关电源的控制系统进行设计，并利用电子仿真软件——PSpice进行仿真分析。
全桥移相 PWM电源控制器属于一种应用范围极为广泛且能够很好的胜任较高直流电压、较大输出功率，同时还需要将电源与负载完全隔离开来的电源变换器。该种拓扑可以通过利用功率开关的结电容以及变压器的漏感形成谐振，进而实现零电压开关的目的。整个过程中不需要附加其他的设备，不会增加电路的设计成本，而且能够保证其具有较大的开关范围。同时，由于传统稳流电源一般都采用单环反馈的方式进行控制，在提高开关电源性能指标方面具有一定的局限性。因此，在这里采用双闭环控制的方式，不但建立起开关电源的小信号模型，而且还给整个反馈环电路设计一个有效的补偿网络，选用UCC3895作为主控制芯片，最终实现双闭环稳流型开关电源控制系统。
1 稳流型开关电源的基本原理
采用的双闭环稳流型开关电源的系统整体示意图如下图1所示。其中，三相交流输入在通过不可控整流桥、全桥逆变，高频降压以及二次全波整流和滤波之后，得到了应用过程中需要的直流输出。同时，该系统当中采用了频率为20KHz 的整流器。其中的MOSFET能很好的适应高频、中小功率的应用场合，而且主电路都采用了IGBT作为主功率开关。该系统当中的副边输出整流结构没有采用传统的全桥整流，而是采用全波整流，这能很好的适应低压大电流的情况。
该双闭环控制电路的设计思想是：将电流反馈环作为电路的外环，而将电压反馈环作为电路的内环，之后利用之将输出电流转化成为电压 ，再将放大器正相端的电流基准与反相端进行对比，将两者的输出送至UCC3895的运算放大器中，将之作为控制器正相端的基准电压，再次与反向端的输出电压获得的采样信号电压 进行对比，将输出的信号送到芯片内部的比较器，将之与三角波进行对比，最终得到以方波形式表现的占空比变化，实现对全桥变换器的控制。
2 全桥移项PWM DC/DC 变换器闭环小信号系统模型
为了有效的避免主电路给控制电路信号带来的干扰，应该将主电路与控制电路进行电气隔离，同时满足控制精度的相关要求。在应用中、大型移相全桥DC／DC电源变换器的电路当中，应该采用霍尔电流传感器，将之直接串接在逆变主变压器的原边、输出滤波负载支路以及直流输入母线的返回端的支路上。但是对于那些对于电源的稳流特性高的恒定电源而言，电流传感器最好设置在负载支路上，这样可以有效的提高当负载扰动存在时依然可以实现较灵敏的响应速度。而在进行电流采样时，当设置在负载支路之上时，电流源型移相全桥DC／DC变换器小信号闭环系统的结构示意图如下图2所示。
3 稳流源控制系统设计
3.1 电流源型闭环小信号控制系统调节元件参数设计
由于电流源型闭环小信号控制系统属于二阶系统，并且其输出的滤波参数LC一般较大，其频率参数 则较低。这时，系统在频率中段以-40 dB/dec的斜率穿过零分贝线。假若采用的是PI调节元件，那么可以通过减少稳态误差来实现；若想增加系统的响应速度和灵敏度，则可以增加比例系数来实现。但是，这样将使得系统不够稳定，导致系统的控制能力下降。为了确保系统达到性能基本稳定、动态性能达到要求的目的，在保证控制系统幅频特性的基础上，利用PID调节元件来实现这些要求。这里假设PID调节元件的传递函数是：
 
其中： 、 、 分别表示比例系、积分校正以及微分校正中用到的时间常数。
 中包含有两个零点需要确定，根据开环的波德图，其中的一个零点应该设置在滤波过程中的谐振角频率处，此时 ；而另外一个零点应该设置在上一个零点的1/3角频率处，也就是 处。此时， ，而
而比例系数K则可以根据波德图进行对应的调整，确保系统在稳定的情况下尽量增加其整体相应速度。
3.2 稳流电源控制电路设计
UCC3895属于一种全桥移相的PWM电源开关控制器件，其功能较为完善，能够自适应死区的功能和软启动/关断的基本能力，能够较好的实现对全桥主电路的软开关工作控制。此处将该芯片作为稳流电源的控制器，包括对时钟和锯齿波的形成、电气隔离、电压电流采样等控制子模块，对输出电流进行采样反馈之后形成闭环电流。同时，在对输出电压及其母线电流进行采样之后，可以完全实现对过流、过压现象的保护，其控制电路图如下图3所示。
在图3中，自适应死区的延时功能将和ADS、CS以及DELAB、DELCD等信号针脚的设置相关，其处于最大延时模式时， 为开路，这时， ，而ADS针脚的电压为 ，两桥臂的极限死区时间分别为： ， 。
在图3中， 表示负载电流检测电路的输出电压，而 、 分别表示输出电压和母线电流在采用隔离电路后的电压和电流，这样可以满足工业现场对于电流源的输出特性的要求，且实现对过流与过压的保护作用。
4 稳流型开关电源控制系统仿真
这里采用PSpice电子仿真软件对上述设计的控制系统进行仿真。仿真过程中将扰动模拟为：t=2.5ms时输出电压从500V下降至400 V，而当t=4ms时，系统的负载电阻R从40 Ω下降到20Ω，其具体的仿真结果如下图4所示。其中，曲线1和2分别表示调节器的输出电压值以及输出滤波的电感电流的波形图；而曲线3和4则表示  以及输出电流 的波形。
通过仿真结果的分析，以小信号模型为基础设计的控制器能够在电源电压扰动较大以及电源自身启动扰动的情况下稳定的工作。当负载突然变化时，系统可能出现不稳定的情况，导致调节元件出现输出极值的问题。但是，依然可以通过利用PWM控制器对电路的固有限幅特性进行调节，能够使得系统从非线性控制状态进入到线性的控制状态，基本实现对电源的技术要求。
5 结束语
开关电源广泛应用于工业自动化控制、电力电子设备及其它多个领域。随着电力电子技术的高速发展，其发展也将趋向于高频、高可靠、低功耗、抗干扰和模块化。本文浅谈了稳流型开关电源的控制系统，对其电路组成以及数学模型进行了分析和研究，虽然稳流型开关电源应用相对没有稳压型开关电源广泛，但伴随着更多领域中的需求，其作用也是不容忽视的，其优点也将更广泛地得到认识与应用。
参考文献
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