1482-反激电路功率级模型的研究.pdf

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反激电路功率级模型的研究

张卫平 姜志亮 刘元超 张晓强 关晓菡

北方工业大学绿色电源实验室,北京 100144

Email:liang-0986@163.com

摘 要 本文针对现有的五种反激电路功率级的数学模型,结合试验以及仿真的方式,得到适合文中单端反激电路的一种模型。首先,利用Matlab 仿真软件分别对五种功率级数学模型进行仿真,得到输出的时域指标;然后,针对一种UC3843控制的单端反激电路,通过实物实验、Psim软件仿真,得到输出的时域指标;最后,通过对比分析,确认符合文中单端反激电路功率级的模型。

关键词 单端反激电路,功率级模型,时域指标

1.引言

随着电子技术的快速发展,开关电源的应用越来越广泛,正向集成化、智能化、绿色化的方向快速发展。在当前的隔离型开关变换器中,反激式开关电源只有一个变压器以及开关器件,具有结构简单、体积小巧等优势,被广泛应用于邮电通信、航空航天、仪器仪表、家用电器等各种领域。

由于反激式开关电源的应用的日益广泛化,对电源的精确度以及稳定度等方面提出了更高的要求。因此,对反激式开关电源的控制系统也提出了更高的要求,这就需要对反激式开关电源的电路模型进行进一步的研究,使反激电路控制系统能够设计更加合理。

本文将基于一种由UC3843芯片控制的单端反激电路,与现有的五种反激电路功率级模型进行对比验证,确认一种适合本文设计的单端反激电路的功率级数学模型。

2.反激电路系统模型

2.1 反激电路结构

反激变换器通常由集成 TOP-Switch 电源芯片或者由UC3843电流控制型芯片和功率 MOSFET构成。图1 所示是,一种由UC3843 芯片控制的单端反激电路,本文将针对该电路对五种反激电路功率级数学模型进行验证分析。

在复频域下,反激式开关电源电路可等效成如图2 所示的理论模型。

其中, $G _ { \nu } ( s )$ 是补偿网络传函, $A _ { P } ( s )$ 是功率级传函, $H ( s )$ 采样环节传函, $\hat { V } _ { 0 } ( s )$ 输出信号, $\hat { V } _ { r e f } \left( s \right)$ 为参考电压象函数

单端反激功率变换器是在电气隔离的 Buck-Boost功率变换器的基础上演变而来的,所以单端反激功率变换器的模型与Buck-Boost功率变换器的模型是相同的。因此,可以结合 Buck-Boost电路的功率级数学模型,总结出五种反激电路功率级 $A _ { P }$ 数学模型。

2.2 功率级 $A _ { P } \left( s \right)$ 传递函数

2.2.1 模型一

模型1 的传递函数为:

$$ A _ { p } = A _ { D C } \cdot \frac { 1 + \cfrac { s } { \omega _ { Z ( e s r ) } } } { 1 + \cfrac { s } { \omega _ { P } } }\tag{1} $$

其中:

$$ A _ { D C } = \frac { \left( V _ { i n } - V _ { o u t } \right) ^ { 2 } } { V _ { i n } \cdot \Delta V _ { e } } \cdot \frac { N _ { \mathrm { s e c } } } { N _ { p r i } } ~ , ~ \omega _ { P } = \frac { 1 } { R _ { L } \cdot C _ { o } } ~ , ~ \omega _ { Z ( e s r ) } = \frac { 1 } { R _ { E S R } \cdot C _ { o } } ~ , $$

$\Delta V _ { e }$ 是误差放大器的输出电压峰峰值, $R _ { L }$ 是负载电阻,$C _ { O }$ 是输出电容, $R _ { E S R }$ 是输出电容的 ESR 电阻。

2.2.2 模型二

模型2 的传递函数为:

$$ A _ { P } = A _ { D C } \cdot \frac { 1 - \cfrac { s } { \omega _ { z } } } { 1 + \cfrac { s } { \omega _ { P } } }\tag{2} $$

其中:

$$ A _ { D C } = \frac { \left( 1 - D \right) R } { R _ { S } \left( 1 + D \right) } ~ , ~ \omega _ { Z } = \frac { \left( 1 - D \right) ^ { 2 } R } { D L } ~ , ~ \omega _ { P } = \frac { 1 + D } { R C } $$

D是占空比,R是负载电阻,C是输出电容, $R _ { s }$ 是采样电阻,L是变压器原边电感

2.2.3 模型三

模型3 的传递函数为:

$$ A _ { P } = { \cfrac { D } { D ^ { \prime } } } \cdot { \cfrac { 1 } { 1 + s { \cfrac { L } { D ^ { \prime 2 } R } } + s ^ { 2 } } } ~ { \cfrac { L C } { D ^ { \prime 2 } } }\tag{3} $$

其中:

D是占空比,R是负载电阻,C是输出电容, $R _ { s }$ 是采样电阻,L是变压器原边电感

2.2.4 模型四

模型4 的传递函数为:

$$ A _ { p \ } = G _ { g 0 } \cdot { \frac { 1 + { \frac { s } { \omega _ { g z } } } } { 1 + { \cfrac { s } { { Q _ { c } } \cdot { \ c { \omega _ { c } } } } } + \left( { \frac { s } { \omega _ { c } } } \right) ^ { 2 } } }\tag{4} $$

其中:

$$ \begin{array} { r l } & { \varrho _ { c } - \frac { D ^ { * } } { \sqrt { L } \mathcal { E } } \psi _ { 1 } ^ { \prime \prime } ^ { \ell + 1 / D } \chi _ { 0 } ^ { \prime \prime \prime \prime } \frac { F _ { \ell \mathcal { F } _ { \ell } } \psi _ { 1 } ^ { \prime } \ell + 1 / D } { D \mathcal { D } ^ { 2 } } , } \ & { \varrho _ { c } - D ^ { * } \mathcal { E } \psi _ { 1 } ^ { \prime \prime } ^ { \ell + 1 / D } D ^ { 2 } \mathcal { R } - \frac { \ell D ^ { * } } { D \mathcal { D } ^ { 2 } } , } \ & { \varrho _ { c } - D ^ { * } \mathcal { E } \psi _ { 1 } ^ { \prime \prime } \frac { \mathcal { E } \psi _ { 1 } ^ { \prime \prime } ( 1 + D ) ^ { * } _ { L ^ { * } } \mathcal { R } \mathcal { R } ^ { * } \psi _ { 1 } ^ { \prime \prime } } { 1 + \frac { \mathcal { R } \mathcal { E } _ { \mathfrak { R } } \eta ^ { \prime \prime } \ell } { D \mathcal { A } } + \frac { \mathcal { R } } { D ^ { * } } _ { L ^ { * } } ^ { \ell } } , } \ & \mathcal { G } _ { g } = \frac { D ^ { * } \mathbf { I } _ { \mathcal { F } _ { \Psi } } \psi _ { 1 } ^ { \prime } _ { L ^ { * } } ^ { \ell } \frac { F _ { \Psi \Psi \Psi } \mathbf { I } _ { \mathcal { F } _ { \Psi } } \psi _ { 1 } ^ { \prime } } { D ^ { 2 } \mathcal { R } } , } \ & { \varrho _ { c } = \frac { D ^ { 2 } \mathcal { R } } { \sqrt { L } \mathcal { E } _ { \Psi } \mathcal { E } _ { \Psi } } ^ { \ell + 1 } D ^ { 2 } \mathcal { R } - \frac { \mathcal { R } ^ { * } } { D ^ { 2 } } , } \ & \ell _ { m } ^ { \mathcal { G } } = \frac D \end{array} $$

D是占空比,R是负载电阻,C是输出电容, $R _ { s }$ 是采样电阻,L是变压器原边电感,V 是输出电压, $F _ { g }$ 和$F _ { \nu }$ 分别表示输入和输出电压扰动量引起的占空比变化的系数, $T _ { s }$ 是开关工作周期。

2.2.5 模型五

模型5 的传递函数为:

$$ A _ { P } = A _ { D C } \cdot \frac { 1 + \cfrac { s } { \omega _ { E S R } } } { 1 + \cfrac { s } { \omega _ { P } } }\tag{5} $$

其中:

$$ A _ { D C } = \frac { \left( 1 - D \right) R } { R _ { s } \left( 1 + D \right) } ~ , ~ \omega _ { E S R } = \frac { 1 } { R _ { \mathrm { E S R } } C } ~ , ~ \omega _ { P } = \frac { 1 + D } { R C } $$

D是占空比,R是负载电阻,C 是输出电容, $R _ { s }$ 是采样电阻,L是变压器原边电感量, $R _ { E S R }$ 是输出电容的ESR 电阻。

2.3 补偿网络 $G _ { \nu } \left( s \right)$ 传递函数

本文中的单端反激电路所选用的是积分反馈网络,如图3 所示。

反馈网络的传递函数为:

$$ G _ { \nu } = - \frac { 1 } { s \cdot R _ { c } C _ { c } }\tag{6} $$

其中 $R _ { c }$ 、 $C _ { c }$ 是图3 中补偿网络的电阻和电容。

2.4 采样网络 H s( )传递函数

$$ H \left( s \right) = n \cdot \frac { R _ { b } } { R _ { a } }\tag{7} $$

其中 $R _ { b }$ 、 $R _ { a }$ 是图1中采样网络的分压电阻。

3.实验及仿真验证

对于前面提到的五种单端反激式开关电源电路,通过 Psim电路仿真软件以及实验测试的方式进行对比验证。

单端反激电路系统主要参数为:反激变压器变比$\mathrm { n { = } N _ { p r i } / N _ { s e c } { = } } 0 . 8$ ;输入电压 $\mathrm { V _ { i n } } { = } 1 2 . 5 \mathrm { V } ;$ 输出电压$\mathrm { V _ { o u t } } { = } 1 5 \mathrm { V }$ ;反激变压器原边电感量 $\mathrm { L _ { p r i } { = } l o u H }$ ;峰值电流采样电阻 $\mathrm { R s } { = } 1 2 . 5 \mathrm { m } \Omega ;$ ;采样网络分压电阻$\mathrm { R a } { = } 1 3 \mathrm { K } \Omega$ $_ { \mathrm { R b } = 3 . 9 \mathrm { K } \Omega }$ ;折算到原边负载 $\mathrm { R _ { 0 } } \mathrm { = } 6 4 \Omega$ ;折算到原边输出电容 $\mathrm { C _ { \mathrm { o u t } } } { = } 1 5 6 2 . 5 \mathrm { u F }$ ;工作频率 $\mathrm { f s } { = } 3 0 0$ KHz;补偿网络参数 $\mathrm { C c } { = } 4 . 7 \mathrm { n F }$ $\mathrm { R c } { = } 1 3 \mathrm { K } \Omega$

通过实验平台测试,可以得到单端反激电路的输出波形,如图4 所示。

利用Psim仿真软件对UC3843控制的单端反激电路进行仿真实验,仿真电路图如图5所示,仿真输出波形如图6 所示。

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