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高频感应加热电源斩波器补偿电路的设计

目前,高频感应加热电源斩波器补偿电路的设计在当代的应用可谓是越来越广泛,高频感应加热电源斩波器补偿电路的设计是值得我们好好学习的,现在我们就深入了解高频感应加热电源斩波器补偿电路的设计  ---查看全文 >>

关键字:加热电源 斩波器 

高频感应加热电源斩波器补偿电路的设计

目前,高频感应加热电源斩波器补偿电路的设计在当代的应用可谓是越来越广泛,高频感应加热电源斩波器补偿电路的设计是值得我们好好学习的,现在我们就深入了解高频感应加热电源斩波器补偿电路的设计

感应加热电源的调功方法有很多,在进一步提高功率和逆变器的工作频率时,一般选择在整流侧调功。而斩波调功在直流电压下工作,供电功率因数高,对电网的谐波干扰小,电路的工作频率高,而且与逆变器控制分开,使得系统更加稳定可靠,故适用于电压型逆变器使用。

在斩波调功的感应加热电源中,逆变电源的功率控制主要是转化为Buck斩波器的功率控制,即通过改变Buck斩波器的驱动脉冲来调节输出电压,从而调节电源的输出功率。但是Buck斩波器输出电压可能有偏差,环路设计就变成一项很重要的工作,它关系到电路的稳定性、响应速度、动态过冲等指标。本文在分析基于功率控制的Buck斩波器的小信号模型和反馈控制模式的基础上,探讨了反馈控制的传递函数和环路参数的设计。

1 基于功率控制的Buck变换器分析

如图1所示,Buck变换器的功率控制包括3个部分,Buck斩波器、误差放大器和PWM脉冲调节器,其中,Buck斩波器反映了电源本身的特性,通过建模的方法可以分析其输入到输出、控制到输出的特性;误差放大器和PWM脉冲调节器构成反馈环节,误差放大器实质上是一个补偿网络,将给定信号与输出信号的差值放大,通过PWM脉冲调节器调节占空比D(t)最终可以调节输出电压UO,使输出稳定在给定值上。

Buck变换器的功率控制原理图

整个功率控制环的设计可以等价为对Buck斩波器控制器设计,因此必须首先建立控制对象——Buck斩波器的在电感电流连续(C CM)模式下的小信号模型。

图2为设定Buck电路工作于电感电流连续状态(C CM),应用三端PWM平均模型方法,并考虑电感电阻rL和电容RC(ESR),见图3。图2中虚线框内部分为三端PWM模型,由开关管VT、二极管VDF和续流二极管VD组成,其中,ia和ic分别代表ia(t)、ic(t)的平均变量,Uap和Ucp分别代表 Uap(t)、Ucp(t)平均变量,其中ia(t)和ic(t)为流入a端和流出c端的电流瞬时变量,Uap(t)和Ucp(t)为端口ap和cp的电压瞬时变量,它们是时间的函数。将主开关管等效成受控电流源形式,二极管VDF等效成受控电压源形式,由此可以得出如图3中虚线所示的三端PWM7开关模型。

Buck变换器电路拓扑

CCM模式下的Buck变换器小信号模型

当不考虑电感内阻(通常可省略)时,可以得到Buck变换器占空比到输出的传递函数为:

RC——滤波电容的ESR

根据得到的Buck变换器的小信号模型,利用Matlab软件分析了其频率特性如图4和图5所示。图4和图5对比分析可以看出,受高频ESR的影响,在穿越频率处又产生一个相位滞后角,同时使幅频特性的斜率由-2变成-1。从整体来看,系统的低频增益低,相角裕度ψ<45°。

利用Matlab软件分析了其频率特性

利用Matlab软件分析了其频率特性

公式

所以整个闭环系统的开环传递函数是:

公式

式中:K2(s)-PWM调制调制器传递函数,其传递函数k2(s)=1/Um,其中Um为锯齿波最大振幅。

本文用Matlab软件设计了具有双零点、双极点的PI控制器,并对设计结果进行了仿真验证。根据Bode定理,补偿网络加入后的回路增益应满足幅频渐进线以-20dB/dec的斜率穿过剪切点(ωc点),并且至少在剪切频率左右2ωc的范围内保持此斜率不变。

具有双零点

由此要求,首先选择剪切频率。实际应用中,选fc=fs/5为宜,其中fs为斩波器工作频率或开关管的开关频率。具体斩波器中,开关频率为50kHz,则fc=50/5=10kHz。

如图7中所示,未加补偿网络之前系统在fc=10kHz处的增益为-11.4dB,斜率为-40dB/d ec,所以,补偿网络应满足如下条件:在fc=10kHz处的增益为11.4dB,斜率为+200dB/dec,并保持此斜率在至少2ωc的范围内不变。取两个零点位于谐振频率附近,以抵消斩波器的2个极点(零点+2斜率补偿极点-2斜率,并补偿其相位滞后);令一个极点p1抵消斩波器的ESR零点:fp1≈fz,设置一个高频极点p2,fp2≈(5~10)fc,使高频段增益降低,以抑制高频噪声。根据以上要求,可以按如下方案设计:fz1=fz2=1.33kHz,fp1=7.96kHz,fp2=100kHz,kp=3250则所设计的P I补偿器的参数如下:取R 1=5 0k Ω,R 2=1 9.6k Ω,R3=0.8 8k Ω,C1=50pF,C 2=6.1nF,C3=2.36nF。实际电路中,取R1=.50kΩ,R 2=20kΩ,R 3=0.88kΩ,C1=50pF,C2=6.2nF,C3=2.2nF。

闭环控制系统前后Bode图

从图7中可以看出,增加PI补偿器后,系统补偿后低频增益提高,中频带宽增大,并以-20dB/dec的斜率穿越零分贝线;系统截止频率近似为1OkHz,与设计期望值相同;高频衰减迅速,很好地提高了系统抗干扰性能;补偿后的相位裕度达到了75°。

 4 结束语

对于高频感应加热电源广泛应用的Buck斩波调功电路,设计了双极点、双零点补偿电路,补偿后的系统不仅提高了系统响应速度,而且消除了稳态误差,系统性能明显提高。实验结果证明了这种补偿电路的实用性和有效性,对高频感应加热电源的改进和研究具有很好的参考价值。

综上所述,本文已为讲解高频感应加热电源斩波器补偿电路的设计,相信大家对高频感应加热电源斩波器补偿电路的设计的认识越来越深入,希望本文能对各位读者有比较大的参考价值

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