數(shù)字化是開關(guān)電源的發(fā)展趨勢(shì)，它可以實(shí)現(xiàn)快速、靈活的控制設(shè)計(jì)，改善電路的瞬態(tài)響應(yīng)性能，使之速度更快、精度更高，可靠性更強(qiáng)。因此，本文基于Saber仿真軟件對(duì)采用數(shù)字控制的大功率移相控制全橋ZVS電源系統(tǒng)(12V/5000A)進(jìn)行了建模、仿真，并對(duì)仿真結(jié)果進(jìn)行了分析。

1主電路的建模

移相控制全橋ZVS2pWM變換器電路實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單、工作可靠，而且充分利用了器件的寄生參數(shù)，不要加入輔助電路，比較適合大功率低壓大電流的應(yīng)用場(chǎng)合，其主電路結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1移相控制全橋ZVS2pWM電源系統(tǒng)主電路

Saber軟件供應(yīng)了功率器件建模工具M(jìn)odelAr2chitect,如圖2所示為該工具供應(yīng)的IGBT等效電路模型，根據(jù)實(shí)際器件的參數(shù)調(diào)整圖2中的各個(gè)參數(shù)值即可完成建模。本系統(tǒng)采用IGBT的型號(hào)為CM400HA-24E,其額定參數(shù)為1200V/400A.電容c1~c4為外接諧振電容，其中c1=c3,c2=c4。

高頻變壓器采用兩個(gè)單元變壓器串并聯(lián)的組合方式，它可以使并聯(lián)的輸出整流二極管之間實(shí)現(xiàn)自動(dòng)均流，并且使得變壓器的設(shè)計(jì)模塊化，簡(jiǎn)化變壓器的制作工藝，降低損耗。原邊用串聯(lián)電感l(wèi)r作為變壓器的等效漏感，用電流控制電壓源(CCVS)模塊來(lái)代替具有電流采樣用途的霍爾電流傳感器。

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圖2IGBT等效結(jié)構(gòu)圖

次級(jí)輸出采用倍流整流電路結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)中電感電流和變壓器次級(jí)電流小，整流管導(dǎo)通損耗及變壓器銅損較小;該結(jié)構(gòu)具有雙電感交錯(cuò)濾波，可在電感值較小的前提下，減小電流紋波，提高動(dòng)態(tài)響應(yīng)性能。

2數(shù)字控制器的建模

2.1峰值電流型控制方式

開關(guān)電源功率開關(guān)器件導(dǎo)通電流等內(nèi)部變量的瞬態(tài)值具有相對(duì)獨(dú)立性，只有直接控制電流瞬態(tài)峰值，才能有效快速地保護(hù)功率開關(guān)器件，同時(shí)克服全橋變換器的偏磁問(wèn)題，提高其動(dòng)態(tài)反應(yīng)速度和可靠性，因此，本系統(tǒng)采用峰值電流控制模式。峰值電流型控制模式開關(guān)電源的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖見(jiàn)圖3所示，系統(tǒng)控制數(shù)學(xué)模型見(jiàn)圖4所示。

圖3開關(guān)電源系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

圖4系統(tǒng)控制數(shù)學(xué)模型

2.2pI調(diào)節(jié)器建模

pI調(diào)節(jié)是控制系統(tǒng)中最成熟，應(yīng)用范圍最廣的一種調(diào)節(jié)方式，離散型pI控制器表達(dá)式為：

采用峰值電流模式控制的系統(tǒng)，當(dāng)占空比大于0.5時(shí)，會(huì)出現(xiàn)不穩(wěn)定現(xiàn)象，采用斜坡補(bǔ)償可以改善系統(tǒng)性能，新增系統(tǒng)穩(wěn)定性。依據(jù)其他資料，在控制工程實(shí)踐中，斜坡補(bǔ)償電壓的上升率一般設(shè)計(jì)為輸出電感電流檢測(cè)信號(hào)下降率折算值的70%~80%.

式(1)中：k為采樣序號(hào);U(k)為第K次采樣時(shí)pI調(diào)節(jié)器輸出的偏移量;Kp為pI調(diào)節(jié)器的比例系數(shù);T為采樣周期;Ti為pI調(diào)節(jié)器積分時(shí)間;E(k)為第k次采樣的偏差值。由式(1)可推出其離散pI增量式為：

式(2)中：U(k-1)為第k-1次采樣時(shí)pI調(diào)節(jié)器輸出的偏移量;E(k-1)為第k-1次采樣的偏差值;Ki為pI調(diào)節(jié)器的積分參數(shù)。

pI調(diào)節(jié)器模型見(jiàn)圖5所示，其實(shí)現(xiàn)過(guò)程為：

[page]AD電壓采樣環(huán)節(jié)由一個(gè)模數(shù)轉(zhuǎn)換接口"a2z"實(shí)現(xiàn)，采樣值為Z0(k),電壓基準(zhǔn)Zref由給定信號(hào)模塊"zdata"供應(yīng)，兩者的差值為誤差項(xiàng)E(k);利用放大模塊"zamp"將偏差值E(k)放大積分系數(shù)Ki倍，可得積分修正量ΔI(k);將偏差值E(k)通過(guò)減法模塊"zsub"減去由延遲模塊"zdelay"所保持的第k-1次的偏差值E(k-1),再用放大模塊將上述差值放大比例參數(shù)Kp倍，可得比例矯正值為Δp(k);最后由加法模塊"zadd"將積分修正量ΔI(k),比例修正量Δp(k),以及由延遲模塊所保持的第k-1次結(jié)果U(k-1)相加可得第K次采樣結(jié)果U(k)。

圖5峰值電流型控制原理圖

電流環(huán)控制采用p調(diào)節(jié)，其實(shí)現(xiàn)過(guò)程為：霍爾電流傳感器采樣之后，由模數(shù)轉(zhuǎn)換接口將采樣值轉(zhuǎn)換為離散信號(hào)，經(jīng)過(guò)一定倍數(shù)的放大之后，進(jìn)行斜坡補(bǔ)償。斜坡補(bǔ)償環(huán)節(jié)由"z_pulse"模塊依據(jù)前述補(bǔ)償法則出現(xiàn)一定頻率一定斜率的三角波實(shí)現(xiàn)。

經(jīng)過(guò)斜坡補(bǔ)償?shù)碾娏餍盘?hào)與電壓pI調(diào)節(jié)出現(xiàn)的結(jié)果相比較得到最終的誤差調(diào)整值，最后由比較模塊"zcmp"構(gòu)成飽和環(huán)節(jié)，用于防止輸出的移相值超出所能達(dá)到的移相范圍。

2.3移相全橋pWM波形調(diào)制

Saber和Simulink之間可以實(shí)現(xiàn)協(xié)同仿真，這樣可以發(fā)揮Simulink在軟件算法方面的優(yōu)勢(shì)，通過(guò)自含義S函數(shù)出現(xiàn)移相pWM信號(hào)。以Saber為主機(jī)，調(diào)用Simulink,兩者以固按時(shí)間步長(zhǎng)交換數(shù)據(jù)。

圖6所示為移相pWM脈沖實(shí)現(xiàn)原理圖。其重要原理為：當(dāng)所對(duì)應(yīng)的前驅(qū)動(dòng)波形跳變?yōu)楦邥r(shí)，由數(shù)字pI控制器得出的移相值U(k)在遠(yuǎn)小于周期的按時(shí)間減去一定常數(shù)k,當(dāng)差值為零時(shí)出現(xiàn)一對(duì)與所對(duì)應(yīng)前橋臂驅(qū)動(dòng)等寬的脈沖波，圖中所示t即為移相時(shí)間。

圖6移相原理。

圖7所示為實(shí)現(xiàn)移相過(guò)程的Saber模型，由"z_pulse"模塊出現(xiàn)固定頻率、占空比為50%的pWM信號(hào)，該信號(hào)與系統(tǒng)超前臂的驅(qū)動(dòng)時(shí)序一致。圖中"switchpwm1"模塊相當(dāng)于一個(gè)多路開關(guān)，其工作過(guò)程為：在超前臂脈沖由低變高時(shí)，接通輸入端，采樣反饋的偏移量，然后立刻脈沖模塊由高變低接通有離散保持用途的延時(shí)模塊"zdelay",最后通過(guò)減法模塊"zsub"減去固定常數(shù)k(由"z_dc"模塊出現(xiàn)),經(jīng)過(guò)延時(shí)模塊所設(shè)定的保持時(shí)間t后，所減結(jié)果再減去常數(shù)k,相減后的結(jié)果傳送到移相模塊"shiftpwm1"。

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圖7移相pWM調(diào)制模型。

"switchpwm1"和"shiftpwm1"兩個(gè)模塊都是通過(guò)Saber與Simulink協(xié)同工作的，它們通過(guò)調(diào)用S2fuctiON來(lái)實(shí)現(xiàn)具體功能。將S函數(shù)樣本文件中的sys=mdlOutputs(t,x,u)作簡(jiǎn)單修改即可。

3仿真結(jié)果

系統(tǒng)輸入直流電壓為580V,工作頻率20kHz,開關(guān)管并聯(lián)電容c1~c4取47nF,設(shè)定漏感l(wèi)r=10μH,比例參數(shù)Kp=1,積分參數(shù)Ki=0.15,輸出濾波電感l(wèi)o1=lo2=0.5μH,濾波電容co=82mF,變壓器匝數(shù)比n=10.設(shè)定負(fù)載為2.4m歐，輸出電壓vo=12V,輸出電流io=5000A.

圖8開關(guān)管驅(qū)動(dòng)波形圖

圖8所示為開關(guān)管的驅(qū)動(dòng)波形圖。q1和q3為超前臂開關(guān)管，互補(bǔ)導(dǎo)通180°(具有一定的死區(qū)時(shí)間),q2和q4為滯后臂開關(guān)管，它們分別對(duì)q1和q3有一定的移相時(shí)間。

圖9所示為變壓器原邊電壓和電流波形，分析可得，該仿真系統(tǒng)的原邊電壓與電流波形與移相控制全橋ZVS2pWM變換器的工作原理是一致的。

圖9變壓器原邊電壓與電流波形

圖10所示為輸出為12V/5000A時(shí)，超前臂開關(guān)管q1和滯后臂開關(guān)管q2的導(dǎo)通和關(guān)斷情況。

圖10開關(guān)管q1、q2的導(dǎo)通和關(guān)斷情況。

從圖10中可以看出，無(wú)論開關(guān)管q1和q2,在導(dǎo)通之前，D、S兩端的電壓uds已降為零，說(shuō)明開關(guān)管實(shí)現(xiàn)了零電壓導(dǎo)通;在開關(guān)管關(guān)斷之后，uds開始線性上升，說(shuō)明開關(guān)管實(shí)現(xiàn)了零電壓關(guān)斷。

圖11輸出電壓電流波形。

圖11所示為本仿真系統(tǒng)的輸出電壓和電流波形。由該結(jié)果可知，在112ms左右輸出電壓達(dá)到12V穩(wěn)態(tài)值，輸出電流達(dá)到5000A穩(wěn)態(tài)值。電壓波形超調(diào)量小于0124V,電流波形超調(diào)量小于100A,滿足電壓上下波動(dòng)2%的性能指標(biāo)。

4結(jié)論

通過(guò)仿真研究清楚的了解大功率開關(guān)電源系統(tǒng)的工作過(guò)程和工作特性，為數(shù)字電源的開發(fā)供應(yīng)了重要參考依據(jù)，并能有效節(jié)省開發(fā)成本，縮短研發(fā)周期。