1、文库下载 免费文档下载http:/ DC_DC 变换器设计与建模分析第 46 卷第 2 期 2012 年 2 月电力电子技术PowerElectronicsVol.46，No.2February2012两级宽输入 DC/DC 变换器设计与建模分析郑昕昕，肖岚210016）（南京航空航天大学，江苏南京摘要：宽输入 DC/DC 变换器功率器件承受电压应力变化范围大，增加了电路损耗，减小了使用寿命。两级式变换器能够减小电路中功率器件的电压应力，但控制较为复杂。此处研究了一种电流控制型双 Buck 级联形式的宽输入开关电源，仅对后级电路进行闭环控制，简化了控制，有效减小了电路体积。建立了电路传递函数模
2、型，讨论了电路的稳态特性及动态特性，进行了电路的稳定性分析，并通过仿真与实验分析，证明了电路具有良好的动态性能和输出稳定性，从而验证了设计方案的可行性。关键词：变换器；宽输入；开关电源；传递函数中文库下载 免费文档下载http:/ 引言适应能力。然而两级式变换器体积大，控制较为复杂，且电路的稳定性较差。文库下载 免费文档下载http:/ Buck 宽输入 DC/DC 变换器具有两级式变换器的优点，减小了输出电流较大时功率器件的开关损耗。采取了前级开环、后级闭环的控制策略，并通过补偿网络提高了系统的稳定性。变换器具有效率高、控制简单、系统稳定性高、适应输入电压范围宽等优点。随着开关电源在各行业的
3、广泛应用，对 DC/DC 变换器的需求已经成为衡量经济发展的一个标识1-3。对于单级变换器而言，由于输出电压一定，在不同输入电压情况下电路中半导体器件两端的脉宽波形具有很大差异4-5。输入电压越高，开关管导通时间越短，其在关断期间承受的电压越高，而电路中的整流二极管则会在开关管导通期间承受高压窄脉冲，流过开关器件的电流平均值不变，有效值增加，导致开关管、整流管、滤波电容及其他器件的温度急剧上升，开关管导通损耗大，变换器效率下降，甚至引起永久性损坏。而62 宽输入变换器拓扑介绍双 Buck 级联宽输 http:/ 入DC/DC 变换器主电路拓扑如图 1 所示，满载时变换器工作在持续电流模式下，输
4、入电压范围为 19150V，闭环工作时输出电压为 30V，最大输出功率为 500W。两级式 DC/DC 变换器各级的输入、输出电压之差都小于单级 DC/DC 变换器的输入、输出电压之差，能够减轻单级变换器在宽电压范围工作时所承受的负担，大大增强了其对宽范围电压输入的定稿日期：2011-08-09文库下载 免费文档下载http:/ ，女，安徽合肥人，博士研究生，研究方向为功率变换技术。图 1主电路拓扑66Uin，Ug，Uo 为变换器的输入电压、前级 Buck 电路输出电压和变换器的输出电压，VS1 和 VS2，VD1 和 VD2，L1 和 L2 为前、后级 Buck 电路的开关功率管、续流二极管
5、和电感，iL1 和 iL2 为流过 L1 和 L2 的电流，Ro 为等效负载电阻，Io 为负载电流。Gvd1（s） ，图 3 示出系统开环传递函数的波特图。可见，穿越频率为 15kHz，相位裕量 m=5145。系统是稳定的，且有足够的相位裕量。Gvd2（s）分别为前、后级电路的控制-输出传递函数，Gm（s）为 PWM 传递函数，Gc（s）为电压控制器传递函数，H（s）为电压采样网络传递函数，D1 为前级占空比。电路在不同输入电压范围下的工作情况如表 1 所示。在 3075V 电压范围内，仅后级 Buck电路工作，此时输出功率 Po=500W，Uin=Ug，Uo=30V，图 3文库下载 免费文档
6、下载http:/ 扰动量对变换器的影响在工作模式，下，电路工作情况较为简单。VS2 占空比 D2 为 0.41，开关频率 fs2=100kHz，最大输出电流 Iomax=Po/Uo=16.7A。表 1 工作模式不同输入电压范围下的电路工作情况:/ 要分析前、后级电路对闭环系统的影响，可在工作模式的情况下，即在电路前、后级同时工作时，分别对输入电压突变和负载突变的情况进行讨论。两级同时工作时，前级功率管占空比固定，电压基准为一定值，输入电压突变时，令负载电流变化量为零，负载突变时，令输入电压变化量为零，根据图 2 分别简化出两种情况下的系统框图，如图 4 所示。由图可知，输入突变和负载突变时系统
7、的闭环传递函数，无论是何种情况下，闭环系统都是高阶系统，其阻尼比 与输出功率成正比，因此功率越大，系统的暂态振荡越激烈，而 越大，系统的超调量和调节时间越小7。Uin/V1930307575150Uo/V19303030 前级 Buck 后级 Buck 直通直通直通闭环闭环 D1=0.5文库下载 免费文档下载http:/ 2 示出两级宽输入变换器的系统结构图。其中 Gvg1（s） ，Gvg2（s）为前、后级 Buck 电路的输入-输出传递函数，Zout（s）为后级Buck 电路开环输出阻抗，各传递函数的输入、输出为相应参数的变化量。可见，变换器在工作模式，即前后级电路直通时为开环系统，而在工作
8、模式，时为闭环系统，且这两种模式下系统的开环传递函数 T（s）相同，即 T（s）=Gc（s）Gm（s）Gvd2（s）H（s） 。图 4 不同情况下的简化系统结构图在输入电压升至 75V 的瞬间，D1 发生突变，此时的变换器系统由两个扰动量同时作用，即输入扰动和前级占空比扰动。4 实验结果分析搭建了实验平台，将其作为航空电子控制器电源。电路在输入电压高于 19V 时启动工作，当输入低于 30V 时，前、后级电路直通，当输入低于文库下载 免费文档下载http:/ PWM 中锯齿波幅值 Um 的倒数，即Gm（s）=1/Um，H（s）等于电压基准 Uref 与 Uo 的比，即 H（s）=Uref/Uo
9、http:/ Gvd2（s）的表达式为：75V 时，控制后级变换器闭环工作，高于 75V 时前、后级共同工作。前级采用 555 构成的方波发生器产生固定占空比的驱动信号，后级采用基于U（1）1 L2s/Ro L2C2s2电压控制器采用 PID 调节器，其传递函数Gvd2（s）=Gc（s）的表达式为：Gc（s）=Gcm（1 s/） （1 /s）（2）SG3525 的电压型 PWM 控制电路。图 5 示出输入 150V 时变换器的外特性曲线。加至满载后，输出文库下载 免费文档下载http:/ 0.6V，变换器电压精度为 2%，根据 GJB1 s/p1412-94，航天地面低压直流电源电压精度应小于
10、 3%，满足要求。第 46 卷第 2 期 2012 年 2 月电力电子技术PowerElectronicsVol.46，No.2February2012元器件所承受的电流、电压应力与单级变换器中器件的应力相同，而前级直通又产生了固有损耗，因此在这种情况下两级变换器的效率仍低于单级变换器效率。当输入电压增加，两级变换器进入两级工作模式时，由于降低了后级电路的电压应力，图 5变换器外特性曲线遏制了流过电路开关器件的电流有效值的增加，电路的固有损耗小于单级变换器的固有损耗，因此两级变换器效率高于单级变换器的效率。GJB1412-94 规定，当影响量发生突变时，要文库下载 免费文档下载http:/ 1
11、s，图 6 示出突加、突卸负载时输出电压的变化情况。由图可知，电路恢复稳定时间为 3ms，均满足要求。5 结论介绍了两级宽输入 DC/DC 变换器的工作原理，并通过建模分析，给出了输入突变和负载突变时的实验和仿真波形，验证了电路的稳定性。通过两级与单级http:/ 变换器相关性能的对比，说明了双Buck 级联式宽输入 DC/DC 变换器相比于单级式 Buck 变换器，降低了大范围变化的输入电压条件下器件的开关损耗及电压应力，且控制简单，能够图 6负载突变时的输出电压、电流波形降低电路成本和延长使用寿命。将输入直接接在后级 Buck 电路的输入端，适当调整控制策略，两级宽输入变换器改造成单级变换
12、器，此时器件参数、闭环控制策略均与两级变换器相同，且电压、电流均满足开关器件的额定参数，在 300W 和 1W 负载条件下分别测得两种变换器效率随输入电压的变化曲线，如图 7 所示。参考文献文库下载 免费文档下载http:/ ，2010InternationalConferenceC.2010：40-43.4图 7单级与两级变换器效率比较黄剑峰，马皓Buck 与推挽级联式 DC/DC 变换器的研究J.电力电子技术，2008，42（6）：30-32在轻载条件下，电路中电流很小，两级电路的固http:/ 有损耗大于单级电路的固有损耗，即使在单级工作模式下，由于前级 Buck 电路的直通也会在电路中
13、产生损耗，因此在输出功率为 1W 时，两种变换器的效率都很低，两级变换器的效率更低于单级变换器文库下载 免费文档下载http:/ 年第 10 期“微型电网中的电力电子技术专辑”为更好地推进微电网中电力电子相关技术的研究与交流， 电力电子技术杂志拟将 2012 年第 10 期辟为“微型电网中的电力电子技术”专辑。欲投稿的作者请在 2012 年 6 月 30 日前将论文发至本刊编辑部（Email：） ，并注明“微型电网中的电力电子技术专辑”字样。所投论文将按本刊常规审稿程序请国内外同行专家评审，评审结果将于 2012 年 8 月 30 日前通知作者。文库下载 免费文档下载http:/ 文档，专业文献，应用文书，行业论文等文档搜索与文档下载，是您文档写作和查找参考资料的必备网站。文库下载 http:/
