非理想變壓器雙開關(guān)正激變換器峰值電流控制的小信號(hào)分析

1、非理想變壓器雙開關(guān)正激變換器峰值電流控制的小信號(hào)分析Small-Signal Analysis of a dual-switch forward Converter with non-ideal transformer in Current-Programmed Control張衛(wèi)平 雷禹周 李 志 孫哲峰北方工業(yè)大學(xué)綠色電源實(shí)驗(yàn)室100041電話Email：zwp摘要：針對(duì)峰值電流控制的雙開關(guān)正激變換器，本文提出了一種有效的分析方法，建立了交流小信號(hào)模型，并應(yīng)用這個(gè)模型分析了其主要電氣特性，得到了如下結(jié)論：（1）、峰值電流控制可以大大提高系統(tǒng)對(duì)輸入電壓波動(dòng)的抑制能

2、力；（2）、峰值電流控制減少了Q值，使系統(tǒng)變?yōu)橐粋€(gè)低Q值的系統(tǒng)；（3）、峰值電流控制擴(kuò)展了頻帶；(4)在采用峰值電流控制的正激變換器設(shè)計(jì)中，必須考慮勵(lì)磁電感對(duì)系統(tǒng)產(chǎn)生的影響。關(guān)鍵詞：雙開關(guān)正激變換器 峰值電流控制 小信號(hào)模型AbstractA small signal analysis approach of a dual forward converter with non-ideal transformer in current-programmed control (CPC) has been investigated in this paper. A small-signal mode

3、l has been derived to determine the small-signal characteristics of the converter. By employing this model, the following significant features have been revealed or explained: (1). If the artificial ramp slop is properly selected, the ideal line-to-output transfer function of the converter becomes z

4、ero. That is to say, the output voltage fluctuation of causing from a perturbation of the DC bus voltage can be substantially restrained; (2). The CPC can greatly reduce the Q-factor and make the converter to become a low Q-factor system; (3). The current-programmed control can extend the bandwidth;

5、 (4).The magnetizing inductor plays an important role in the converter, so we must consider it when we design the control circuit.Keywordsdual forward converter, current-programmed control, small signal model1、引言雙正激變換器是目前中大功率變換器中應(yīng)用最多的拓?fù)渲?。它克服了正激變換器中開關(guān)電壓應(yīng)力高的缺點(diǎn)，每個(gè)開關(guān)管的電壓只承受輸入直流電壓；磁復(fù)位電路簡(jiǎn)單，可以保證變壓器的可靠磁復(fù)位；

6、每一個(gè)橋臂都是由一個(gè)開關(guān)管與一個(gè)二極管串聯(lián)組成，不存在橋臂直通的危險(xiǎn)，可靠性高。因此，雙正激變換器具有其它變換器無法比擬的優(yōu)點(diǎn)。一般情況下，我們?cè)趯?duì)此類電路分析是將變壓器視為理想元件，但實(shí)際情況并非如此。圖1給出了考慮勵(lì)磁電感的雙開關(guān)正激變換器主電路的分析電路。電路中其他元件均為理想元件且電路工作在CCM模式下，占空比D0.5。圖1雙開關(guān)正激變換器2、峰值電流控制雙開關(guān)正激變換器-電流環(huán)的小信號(hào)模型圖2 勵(lì)磁電感和濾波電感電流等效平均值與控制電流之間的關(guān)系圖2給出了勵(lì)磁電感和濾波電感電流等效值與控制電流之間的關(guān)系。分別表示勵(lì)磁電感和濾波電感電流上升斜率之和、下降第一階段斜率之和、下降第二階段斜

7、率之和和人工斜坡補(bǔ)償電流信號(hào)的斜率。表示等效輸入電流在開關(guān)管導(dǎo)通期間的平均值，表示等效輸入電流在開關(guān)管導(dǎo)通期間且勵(lì)磁電感電流不為零之前的平均值，表示剩下的時(shí)間段的平均值。勵(lì)磁電感和濾波電感電流平均值的表達(dá)式為： 其中：引入小信號(hào)擾動(dòng)：其中，假定人工斜坡補(bǔ)償信號(hào)中沒有擾動(dòng)量，則。分離擾動(dòng)，,因此可以得到： 其中： 需要指出，在上面討論中，表示勵(lì)磁電感和濾波電感電流平均值之和的擾動(dòng)量，而不是峰值的擾動(dòng)量。因此，上述研究的主要貢獻(xiàn)是將峰值電流控制模式轉(zhuǎn)化為平均值控制模式。圖3給出了峰值電流控制正激變換器的小信號(hào)交流模型。圖3 峰值電流控制雙開關(guān)正激變換器的小信號(hào)交流模型3、峰值電流控制-正激變換器的

8、傳遞函數(shù)以和作為輸入變量，、 和為輸出變量，可以得到描述正激變換器主電路的方程組， 其中： 求解方程（1.2）、(1.3)、(1.4)、(1.5)，得， 控制-輸出傳遞函數(shù)，輸入-輸出傳遞函數(shù)，其中： 由上面分析可以得到如下結(jié)論：（1）、當(dāng)時(shí)，峰值電流反饋可以消除輸入電壓波動(dòng)對(duì)輸出的影響。在工程設(shè)計(jì)時(shí)，取。因此，峰值電流控制可以大大提高系統(tǒng)對(duì)輸入電壓波動(dòng)的抑制能力；（2）、可以證明，峰值電流控制減少了值，使系統(tǒng)變?yōu)橐粋€(gè)低值的系統(tǒng)；（3）、，峰值電流控制擴(kuò)展了頻帶。 通常，在引入峰值電流控制后，雙管正激變換器的等效功率級(jí)實(shí)際是一個(gè)低值系統(tǒng)。等效功率級(jí)傳輸函數(shù)有兩個(gè)實(shí)數(shù)特征根，和。定義為低頻極點(diǎn)頻

9、率，為高頻極點(diǎn)頻率。則有： 用控制-輸出的傳遞函數(shù)表述電流環(huán)的等效功率級(jí)，其傳遞函數(shù)的近似表達(dá)式為，輸入-輸出傳遞函數(shù)表達(dá)式：4、仿真結(jié)果圖4給出了正激變換器控制輸出兩種傳遞函數(shù)的仿真結(jié)果，包括幅頻特性和相頻特性。在圖中，原功率級(jí)的傳遞函數(shù)用表示；在峰值電流控制模式中， 等效功率級(jí)的傳遞函數(shù)用表示，表示不考慮勵(lì)磁電感作用時(shí)的等效功率級(jí)傳函； 由于勵(lì)磁電感的作用， 在BODE圖上的差別還是比較大的，Qc不滿足0.5的條件（表1），只能利用式(1.9)、(1.10)來進(jìn)行計(jì)算，從仿真結(jié)果來看，在進(jìn)行補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計(jì)時(shí)，必須要考慮系統(tǒng)第二個(gè)極點(diǎn)的作用。圖4 兩種功率級(jí)傳輸函數(shù)的頻率響應(yīng)曲線表1 考慮勵(lì)

10、磁電感與不考慮勵(lì)磁電感作用的系統(tǒng)傳函參數(shù)的對(duì)比LmGcoGgoQcc5.6mH6.875-1.796*10-30.1328.002*103+7.393-1.081*10-120.0541.811*104圖5給出了音頻衰減率的仿真結(jié)果。在仿真中，原功率級(jí)音頻衰減率傳函為；等效功率級(jí)傳函為，表示不考慮勵(lì)磁電感作用時(shí)的等效功率級(jí)音頻衰減率傳函?？梢钥闯?，電流反圖5 音頻衰減率的仿真結(jié)果饋可大大降低輸入電壓波動(dòng)對(duì)輸出電壓產(chǎn)生的影響，但是，從表1的數(shù)據(jù)以及BODE圖可以看出，勵(lì)磁電感使這個(gè)作用大大降低。5.結(jié)論雙開關(guān)正激變換器在引入峰值電流控制以后，可以給系統(tǒng)帶來以下改善：（1）、當(dāng)時(shí)，峰值電流反饋可以

11、消除輸入電壓波動(dòng)對(duì)輸出的影響。在工程設(shè)計(jì)時(shí)，取。因此，峰值電流控制可以大大提高系統(tǒng)對(duì)輸入電壓波動(dòng)的抑制能力；（2）、峰值電流控制減少了值，使系統(tǒng)變?yōu)橐粋€(gè)低值的系統(tǒng)；（3）、，峰值電流控制擴(kuò)展了頻帶。在采用峰值電流控制的正激變換器設(shè)計(jì)中，通過對(duì)比考慮和不考慮勵(lì)磁電感的系統(tǒng)等效功率級(jí)傳遞函數(shù)的仿真結(jié)果可以得出，勵(lì)磁電感對(duì)系統(tǒng)等效功率級(jí)的輸入-輸出以及控制到輸出的傳遞函數(shù)都產(chǎn)生很大的影響，因此在系統(tǒng)等效功率級(jí)要考慮勵(lì)磁電感。參 考 文 獻(xiàn)1 張衛(wèi)平等，一種新型單級(jí)AC/DC變換器,電力電子技術(shù),PFC技術(shù)專輯,20052 張衛(wèi)平著，開關(guān)變換器的建模與控制，中國電力出版社，2006.1 3 楊華，正激

12、變換器的峰值電流控制模式的建模，電源世界，2005.84 A. Fontan, S. Ollero, E. de la Cruz, J. Sebastian, Peak Current Mode Control Applied to the Forward Converter with Active clamp, Volume 1, 17-22 May 1998 Page(s):45 - 51 vol.15 陳敏，馬 皓，徐德鴻等，雙正激電路中變壓器激磁電感對(duì)電路工作影響的研究，機(jī)電工程，2001.186 盧增藝，林維明，熊代富等，有源鉗位正激變換器閉環(huán)小信號(hào)模型分析，中國電工技術(shù)學(xué)會(huì)電力電子學(xué)會(huì)第九屆學(xué)術(shù)年會(huì)論文集，pp238-2427 Byung-Il Kwon, Forward Converter Analysis by the Method of Coupling Electromagnetic