移相全橋DC／DC變換器雙閉環(huán)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

   摘要：提出移相全橋DC／DC變換器閉環(huán)系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案，基于PWM控制器件UCC3895設(shè)計(jì)一個(gè)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(diǎn)、雙極點(diǎn)的PI補(bǔ)償，電流環(huán)中引入斜坡補(bǔ)償，結(jié)合實(shí)應(yīng)用對(duì)閉環(huán)系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)測(cè)試，結(jié)果表明所設(shè)計(jì)的閉環(huán)系統(tǒng)動(dòng)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(chǎng)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(jìng)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(jì)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(shí)際應(yīng)用對(duì)該系統(tǒng)進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)測(cè)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(bǔ)，PWM3與PWM4互補(bǔ)，可通過UCC3895設(shè)置合適的死區(qū)時(shí)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(zhǔn)，在電流環(huán)中對(duì)采樣的電流進(jìn)行斜坡補(bǔ)償，以保證占空比大于50％的時(shí)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(hào)，通過脈寬調(diào)制電路、移相電路、隔離驅(qū)動(dòng)電路實(shí)現(xiàn)對(duì)系統(tǒng)的閉環(huán)控制。

2 閉環(huán)控制電路設(shè)計(jì)
2．1 控制模式
    閉環(huán)系統(tǒng)采用恒定導(dǎo)通時(shí)刻峰值電流控制方式，可以實(shí)現(xiàn)逐個(gè)脈沖控制，動(dòng)態(tài)響應(yīng)速度快，穩(wěn)定性好，并且易于實(shí)現(xiàn)限流及過流保護(hù)。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(bǔ)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(zhǔn)，當(dāng)開關(guān)管電流檢測(cè)信號(hào)Us的峰值達(dá)到Uc時(shí)，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(jì)
    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(zhǔn)。

    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(diǎn)、雙極點(diǎn)的PI補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)。
    在電流內(nèi)環(huán)中加入斜坡補(bǔ)償以保證系統(tǒng)的穩(wěn)定性。斜坡補(bǔ)償信號(hào)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(bǔ)償?shù)匿忼X波提供直流偏壓，解決啟動(dòng)或輕載時(shí)UCC3895輸出波形的不對(duì)稱問題。圖中電流檢測(cè)信號(hào)Is經(jīng)過I-V變換電路轉(zhuǎn)換成電壓信號(hào)。根據(jù)疊加原理與引入的斜坡補(bǔ)償信號(hào)疊加送入U(xiǎn)CC3895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(shí)現(xiàn)逐周期限流及過流保護(hù)，當(dāng)2 V<Vcs<2．5 V時(shí)，進(jìn)入逐周期限流模式；當(dāng)Vcs>2．5 V時(shí)，進(jìn)入過流保護(hù)模式。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果
    將該控制系統(tǒng)應(yīng)用于一臺(tái)1．5 kW的電源中，設(shè)計(jì)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(fù)載為0．14 Ω。補(bǔ)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(dòng)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(jì)了移相全橋DC／DC變換器雙閉環(huán)控制系統(tǒng)，其中加入補(bǔ)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(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)。結(jié)合實(shí)際應(yīng)用對(duì)該系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)測(cè)試，結(jié)果表明，系統(tǒng)動(dòng)態(tài)響應(yīng)快，穩(wěn)定性好。