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1、磁悬浮列车的电流型控制辅助电源设计 摘 要 介绍了电流型控制方法的基本原理和特点,分析了斜坡补偿的必要性及方法。通过磁悬浮列车辅助电源的设计实例,着重分析了斜坡补偿电路和MOSFET栅极驱动电路,并对误差放大器补偿网络进行了优化设计。 1前言 开关电源需要对被控输出变量采用闭环控制,以使系统对输入电压变化或负载电流变化能及时调节,并具有期望的动态响应。传统的开关电源大都采用电压型控制,即只对输出电压采样,并作为反馈信号实现闭环控制,以稳定输出电压。在其控制过程中,电感电流未参与控制,是独立变量,开关变换器为二阶系统,有两个状态变量,即输出滤波电容的电压和输出滤
2、波电感的电流。二阶系统是一个有条件的稳定系统,只有对误差放大器补偿网络进行精心设计和计算,才能保证系统稳定工作。由于开关电源的电流都要流经电感,将使滤波电容上的电压信号对电流信号产生90°延迟。因此,仅采用采样输出电压的办法,其稳压响应速度慢,稳定性差,甚至在大信号变化时会产生振荡,从而损坏功率器件。 采用电流型控制的开关电源是一个双闭环控制系统,针对电压型控制的缺点,电流型控制既保留了电压型控制的输出电压反馈,又增加了电感电流反馈,而且这个电流反馈就作为PWM控制变换器的斜坡函数,从而不再需要锯齿波发生器,使系统的性能具有明显的优越性。由于反馈电感电流的变化率d
3、i.dt直接跟随输入电压和输出电压的变化而变化,电感电流的平均值正比于负载电流。电压反馈回路中,误差放大器的输出作为电流给定信号,与反馈的电感电流比较,直接控制功率开关通断的占空比,使功率开关的峰值电流受电流给定信号的控制。 电流型控制方法的特点如下: (1)系统具有快速的输入、输出动态响应和高度的稳定性; (2)很高的输出电压精度; (3)具有内在对功率开关电流的控制能力; (4)良好的并联运行能力。 目前,随着电流型控制集成控制器的出现,电流型控制技术越来越多地被应用于实际的设计当中。 虽然电流型控制较电压型控制有许多优点,但是对于检测固定频率、峰
4、值电流的变换器而言,电流型控制仍然存在着一些不足,主要表现在以下几点: (1)存在一定条件下抗干扰能力差的问题。如果电感电流上升率不够大,电路的分布电容会引起开通电流尖峰,可能会造成开关管突然关断,造成次谐波振荡(SubharmonicOscillation)。在没有斜坡补偿情况下,当占空比大于50%时,次谐波振荡将会发散,造成系统的不稳定。 (2)控制信号与开关管电流有关,因此,功率级电路的振荡会给控制环带来噪声。 (3)电感峰值电流与平均输出电流有误差。电流控制模式采用斜坡补偿后,上述部分问题都能得到满意的解决,并且不影响其优势的发挥。 2 电流型控制变
5、换器的斜坡补偿[2] 对于任何固定频率的电流型控制变换器,当占空比超过50%时,不论电压反馈环的状态如何,电流内环都是不稳定的。由于占空比不能取得很大,对输入电压的限制就变得很严格。而加入斜坡补偿后,对于任何占空比,系统都可以稳定工作。 图1为电流型控制变换器电感电流iL的波形,iL受到误差电压Vc的控制。如果在电感电流iL上产生了扰动$i0,当占空比D50% 图1 扰动情况下电感电流波形时(如图1(b)所示),$i1将逐渐增大,即$i1>$i0。给出相应的数学表达式: $i1=-$i0m2m1 (1)式中 m1——电感电流上升斜率;m2——电感电流下降
6、斜率。 此时,引入一个斜坡补偿,从误差电压减去这个补偿斜坡或将补偿斜坡加到电流波形上。于是,有$i1=-$i0m2+mm1+m (2)由于要使系统在任何占空比下都能稳定工作,必须满足$i1-12m2 (3)所以,为了保证电流环稳定,补偿斜坡的斜率m必须大于电感电流下降斜率m2的一半(见图1(c))。 3 磁悬浮列车辅助电源设计实例 311 电路结构在设计磁悬浮列车辅助电源时,采用反激式电流型控制变换器拓扑结构,电路图见图2。 图2 反激式电流型控制辅助电源电路 电路主要参数为:输入电压Vin=70～120V;输出电压Vo=5V(A组输出),±15V(B
7、、C组输出);较大占空比D=0.44;开关管开关频率fs=20kHz;A组输出滤波电感L3=100LH;A组输出滤波电容C11=470LF。 3.2 高频变压器设计 在设计实例中,高频变压器的计算是设计工作的核心。设计时,要保证电源的调整率和对线圈的漏感要求,还要对高频变压器的外形尺寸及成本进行综合考虑。 选择磁心材料为R2kB.M,E140.12型磁心,R2kB.M材料的饱和磁感应强度Bsa=0.48T。为了使变压器工作在低磁损状态,选工作较大磁通密度Bmax=13Bsa。 高频变压器设计参数为: 饱和磁感应强度Bsa=0.48T;工作较大磁通密度B
