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摘要:提出移相全橋DC/DC變換器閉環(huán)系統(tǒng)設(shè)計方案,基于PWM控制器件UCC3895設(shè)計一個雙閉環(huán)控制系統(tǒng),該系統(tǒng)采用電壓外環(huán)和電流內(nèi)環(huán)的控制方式,在電壓環(huán)中引入雙零點、雙極點的PI補償,電流環(huán)中引入斜坡補償,結(jié)合實應(yīng)用對閉環(huán)系統(tǒng)進行實驗測試,結(jié)果表明所設(shè)計的閉環(huán)系統(tǒng)動態(tài)響應(yīng)快,穩(wěn)定性好。
關(guān)鍵詞:移相全橋;DC/DC變換器;UCC3895:閉環(huán)系統(tǒng)
隨著我國電源行業(yè)的發(fā)展,在中大功率應(yīng)用場合,采用PWM控制技術(shù)的移相全橋DC/DC變換器越來越受到人們的關(guān)注,隨著PWM控制技術(shù)逐漸向高頻化方向發(fā)展,全球各大集成電路生產(chǎn)商競相研制出各種新型的PWM控制器件,其中TI公司推出的UCC3895是一款具有代表性的移相全橋控制器件。該器件既可以工作于電流模式也可以工作于電壓模式,又可以為諧振零電壓開關(guān)提供高頻、高效的解決方案,具有廣闊的應(yīng)用前景。這里基于UCC3895設(shè)計了移相全橋DC/DC變換器的雙閉環(huán)控制系統(tǒng),并結(jié)合實際應(yīng)用對該系統(tǒng)進行了實驗測試。
1 移相全橋DC/DC變換器閉環(huán)系統(tǒng)工作原理
移相全橋DC/DC變換器閉環(huán)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖l所示。
直流輸入電壓經(jīng)過全橋逆變、高頻變壓器降壓、輸出側(cè)整流濾波得到所需的直流電壓。四路PWM波配置為兩組,PWMl、PWM2為一組,用來控制全橋逆變模塊的超前臂;PWM3、PWM4為另一組,控制滯后臂。PWMl與PWM2互補,PWM3與PWM4互補,可通過UCC3895設(shè)置合適的死區(qū)時間。該閉環(huán)控制電路采用峰值電流模式,外環(huán)電壓調(diào)節(jié)器的輸出作為電流內(nèi)環(huán)的基準,在電流環(huán)中對采樣的電流進行斜坡補償,以保證占空比大于50%的時候,系統(tǒng)仍能穩(wěn)定工作。電流環(huán)的輸出作為調(diào)制信號,通過脈寬調(diào)制電路、移相電路、隔離驅(qū)動電路實現(xiàn)對系統(tǒng)的閉環(huán)控制。
2 閉環(huán)控制電路設(shè)計
2.1 控制模式
閉環(huán)系統(tǒng)采用恒定導(dǎo)通時刻峰值電流控制方式,可以實現(xiàn)逐個脈沖控制,動態(tài)響應(yīng)速度快,穩(wěn)定性好,并且易于實現(xiàn)限流及過流保護。工作原理框圖如圖2所示。
外環(huán)誤差放大器輸出的誤差放大電壓Ue與外加的補償鋸齒波Ux合成倒鋸齒波Uc作為內(nèi)環(huán)PWM比較器的基準,當開關(guān)管電流檢測信號Us的峰值達到Uc時,觸發(fā)器翻轉(zhuǎn),開關(guān)管關(guān)斷,從而減小輸出電流翻。
2.2 硬件電路設(shè)計
控制部分硬件電路如圖3所示。電壓外環(huán)誤差放大器采用新型光隔離誤差放大器FOD2741,將UCC3895的引腳l(EAN)和引腳2(EAOUT)連接在一起,使內(nèi)部的誤差放大器構(gòu)成電壓跟隨器,跟蹤PI調(diào)節(jié)器輸出的誤差電壓,并將其輸入至內(nèi)部PWM比較器的同相輸入端,作為電流環(huán)的基準。
圖3中,通過R5和R6設(shè)置輸出取樣電壓,R5、R6與輸出電壓Vout滿足:
R1和R7控制光耦的增益,C1、C2、C3和R1、R2、R3與FOD2741組成雙零點、雙極點的PI補償網(wǎng)絡(luò)。
在電流內(nèi)環(huán)中加入斜坡補償以保證系統(tǒng)的穩(wěn)定性。斜坡補償信號以電壓跟隨的形式,從RC振蕩器中引入,其中加入上拉電阻R8為補償?shù)匿忼X波提供直流偏壓,解決啟動或輕載時UCC3895輸出波形的不對稱問題。圖中電流檢測信號Is經(jīng)過I-V變換電路轉(zhuǎn)換成電壓信號。根據(jù)疊加原理與引入的斜坡補償信號疊加送入UCC3895的引腳3(RAMP),作為內(nèi)部PWM比較器的反相輸入。通過內(nèi)部限流比較器及過流比較器實現(xiàn)逐周期限流及過流保護,當2 V<Vcs<2.5 V時,進入逐周期限流模式;當Vcs>2.5 V時,進入過流保護模式。
3 實驗結(jié)果
將該控制系統(tǒng)應(yīng)用于一臺1.5 kW的電源中,設(shè)計參數(shù)如下:輸入電壓為直流144 V,輸出14 V直流電壓,高頻變壓器原、副邊匝數(shù)比為15:2,開關(guān)頻率為50 kHz,輸出濾波電感為22μH,濾波電容為2 820μF,負載為0.14 Ω。補償網(wǎng)絡(luò)參數(shù)為:R1=l kΩ、R2=68 Ω、R3=40 Ω、C1=1.2 nF、C2=47 pF、C3=82 nF。在移相控制占空比的過程中,全橋逆變器的驅(qū)動波形及高頻變壓器副邊的輸出波形如圖4所示。
4 結(jié)束語
本文基于UCC3895設(shè)計了移相全橋DC/DC變換器雙閉環(huán)控制系統(tǒng),其中加入補償校正環(huán)節(jié),使系統(tǒng)在交越頻率處的相位裕度大于45°,從而達到穩(wěn)定狀態(tài)。結(jié)合實際應(yīng)用對該系統(tǒng)進行實驗測試,結(jié)果表明,系統(tǒng)動態(tài)響應(yīng)快,穩(wěn)定性好。
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