數(shù)字控制全橋軟開關(guān)電源的Saber仿真分析
發(fā)布時間：2021-06-02 05:14:45 來源：上海華千電氣有限公司
數(shù)字化是開關(guān)電源的發(fā)展趨勢，它可以實現(xiàn)快速、靈活的控制設(shè)計，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仿真軟件對采用數(shù)字控制的大功率移相控制全橋ZVS電源系統(tǒng)( 12 V /5 000 A)進(jìn)行了建模、仿真，并對仿真結(jié)果進(jìn)行了分析。
1 主電路的建模
移相控制全橋ZVS2PWM變換器電路實現(xiàn)簡單、工作可靠，而且充分利用了器件的寄生參數(shù)，不需要加入輔助電路，比較適合大功率低壓大電流的應(yīng)用場合，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軟件提供了功率器件建模工具M(jìn)odel Ar2chitect,如圖2所示為該工具提供的IGBT等效電路模型，根據(jù)實際器件的參數(shù)調(diào)整圖2中的各個參數(shù)值即可完成建模。本系統(tǒng)采用IGBT 的型號為CM400HA-24E,其額定參數(shù)為1 200 V /400 A.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現(xiàn)自動均流，并且使得變壓器的設(shè)計模塊化，簡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)模塊來代替具有電流采樣作用的霍爾電流傳感器。
圖2 IGBT等效結(jié)構(gòu)圖
次級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)具有雙電感交錯濾波，可在電感值較小的前提下，減小電流紋波，提高動態(tài)響應(yīng)性能。
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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)值具有相對獨立性，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，同時克服全橋變換器的偏磁問題，提高其動態(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)圖見圖3所示，系統(tǒng)控制數(shù)學(xué)模型見圖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
2.2 P I調(diào)節(jié)器建模
P I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P I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，會產(chǎn)生不穩(wěn)定現(xiàn)象，采用斜坡補(bǔ)償可以改善系統(tǒng)性能，增加系統(tǒng)穩(wěn)定性。依據(jù)其他資料，在控制工程實踐中，斜坡補(bǔ)償電壓的上升率一般設(shè)計為輸出電感電流檢測信號下降率折算值的70%~80%.
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式(1)中： k為采樣序號; U ( k)為第K次采樣時P I調(diào)節(jié)器輸出的偏移量; Kp 為P I調(diào)節(jié)器的比例系數(shù);T為采樣周期; Ti 為PI調(diào)節(jié)器積分時間; E ( k)為第k次采樣的偏差值。由式(1)可推出其離散P I增量式為：
式(2)中：U ( k - 1)為第k - 1次采樣時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P I調(diào)節(jié)器的積分參數(shù)。
P I調(diào)節(jié)器模型見圖5所示，其實現(xiàn)過程為：
AD電壓采樣環(huán)節(jié)由一個模數(shù)轉(zhuǎn)換接口"a2z"實現(xiàn)，采樣值為Z0 ( k ) , 電壓基準(zhǔn)Zref由給定信號模塊"zdata"提供，兩者的差值為誤差項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I ( k) ;將偏差值E ( k)通過減法模塊"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P ( k) ;最后由加法模塊"zadd"將積分修正量I ( k) ,比例修正量P ( 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)，其實現(xiàn)過程為：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，經(jīng)過一定倍數(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)償法則產(chǎn)生一定頻率一定斜率的三角波實現(xiàn)。
經(jīng)過斜坡補(bǔ)償?shù)碾娏餍盘柵c電壓P I調(diào)節(jié)產(chǎn)生的結(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。
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2.3 移相全橋PWM 波形調(diào)制
Saber和Simulink之間可以實現(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，通過自定義S函數(shù)產(chǎn)生移相PWM信號。以Saber為主機(jī)，調(diào)用Simulink,兩者以固定時間步長交換數(shù)據(jù)。
圖6所示為移相PWM脈沖實現(xiàn)原理圖。其主要原理為：當(dāng)所對應(yīng)的前驅(qū)動波形跳變?yōu)楦邥r，由數(shù)字P I控制器得出的移相值U ( k)在遠(yuǎn)小于周期的定時間減去一定常數(shù)k,當(dāng)差值為零時產(chǎn)生一對與所對應(yīng)前橋臂驅(qū)動等寬的脈沖波，圖中所示t即為移相時間。
圖6 移相原理。
圖7所示為實現(xiàn)移相過程的Saber模型，由"z_pulse"模塊產(chǎn)生固定頻率、占空比為50%的PWM信號，該信號與系統(tǒng)超前臂的驅(qū)動時序一致。圖中"switchpwm1"模塊相當(dāng)于一個多路開關(guān)，其工作過程為：在超前臂脈沖由低變高時，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作用的延時模塊"zdelay",最后通過減法模塊"zsub"減去固定常數(shù)k (由"z_ dc"模塊產(chǎn)生) ,經(jīng)過延時模塊所設(shè)定的保持時間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"。
圖7 移相PWM調(diào)制模型。
"switchpwm1"和"shiftpwm1"兩個模塊都是通過Saber與Simulink協(xié)同工作的，它們通過調(diào)用S 2fuctiON來實現(xiàn)具體功能。將S函數(shù)樣本文件中的sys =mdlOutputs( t, x, u)作簡單修改即可。
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3 仿真結(jié)果
系統(tǒng)輸入直流電壓為580 V,工作頻率20 kHz,開關(guān)管并聯(lián)電容c1~c4取47 nF,設(shè)定漏感l(wèi)r = 10H,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. 5H,濾波電容co = 82 mF,變壓器匝數(shù)比n = 10.設(shè)定負(fù)載為2. 4 m歐，輸出電壓vo = 12 V,輸出電流io = 5 000 A.
圖8 開關(guān)管驅(qū)動波形圖
圖8所示為開關(guān)管的驅(qū)動波形圖。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)時間) , q2和q4為滯后臂開關(guān)管，它們分別對q1和q3有一定的移相時間。
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12 V /5 000 A時，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。
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為便于分析，將驅(qū)動電壓ugs1 和ugs2 放大30 倍。
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，說明開關(guān)管實現(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，說明開關(guān)管實現(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112 ms左右輸出電壓達(dá)到12V穩(wěn)態(tài)值，輸出電流達(dá)到5 000 A穩(wěn)態(tài)值。電壓波形超調(diào)量小于0124 V,電流波形超調(diào)量小于100 A,滿足電壓上下波動2%的性能指標(biāo)。
4 結(jié)論
通過仿真研究清楚的了解大功率開關(guān)電源系統(tǒng)的工作過程和工作特性，為數(shù)字電源的開發(fā)提供了重要參考依據(jù)，并能有效節(jié)省開發(fā)成本，縮短研發(fā)周期。
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