ZVT－PWM移相软开关通信基础--电源模块的设计

3．2控制系统的环路设计

　　开关稳压电源控制系统的结构框图如图3所示。

图3开关稳压电源控制系统的结构框图

　　控制系统环路设计就是通过对系统的环路及其对小信号的响应进行分析，选择合适的调节器，并采取适当的校正网络，使系统的稳态和动态性能指标及其稳定性都能满足要求。具体说就是，稳态无静差、动态响应速度足够快、系统稳定、抗高频干扰能力强。要使系统满足以上性能，其开环传递函数L（ω）就必须满足以下要求[3]：

　　（1）低频段以－20dB/Dec或－40dB/Dec的斜率下降，无稳态误差；

　　（2）中频段以－20dB/Dec斜率下降，系统的稳定余量较大，中频带宽要足够宽，以保证系统的动态响应速度；

　　（3）高频段以－40dB/Dec或－60dB/Dec的斜率下降，对高频干扰衰减快。

　　PWM环节是线性的，其传递函数为K1，逆变开关电路和变压器组合也是线性的，其传递函数为1/n，n为变压器一、二次侧匝数之比。输出LC滤波环节的传递函数为1/（s2LC＋1）,输出电压反馈网络也是线性的，其传输函数为：KB=R2/（R1＋R2）。假设误差放大器（或调节器）的传递函数为G1（s），则图3所示的系统就可以写成传递函数的形式，见图4。

　　若误差放大器为比例调节器，即G1（s）=KP，则控制系统为二阶系统，其开环传递函数见式（6），幅频特性曲线见图5（a）。这种系统的稳定误差比较大，并且是有条件的稳定系统，稳定余量太小。

图6比例积分（PI）调节器和无源超前校正网络

图4开关稳压电源控制系统的结构

　　解决以上问题的方法：

　　（1）采用比例积分（PI）调节器，见图6（a），传递函数见式（7）；

　　（2）采用无源超前校正，见图6（b），传递函数见式（8）。

图5二阶系统开环幅频特性曲线和

图6比例积分（PI）调节器和无源超前校正网络

校正后的系统开环幅频特性曲线

　　校正后的系统开环幅频特性曲线见图5（b），基本能够满足上述的要求。（7）（8）

　　在进行以上环路设计的同时，还要遵循以下两个基本点：

　　（1）交越频率ωC即L（ω）=0时频率为逆变开关频率fC的（1/4～1/5）；

　　（2）中频带宽b=ω4/ω3≈10。

4设计实例及试验结果

　　采用移相全桥ZVT软开关变换电路设计的DMA－48/50通信开关电源模块，输入电压为三相380V±20％，输出电压为43.2～57.6V可调，输出电流为50A。选用IRG4PF50W型高速IGBT做开关管，开关频率为40kHz，选用UC3879做集成控制芯片，振荡频率设为80kHz。引线电感加变压器一次侧漏感约为1.5μH，外加电感为6.5μH左右,L1=8μH,IO=18.5A时开始实现ZVT,最大占空比Dmax=0.88。系统环路设计采用了PI调节器和无源超前校正，ω≈9kHz，中频带宽b=ω4/ω3≈11.2。

　　测试结果系统稳定、控制精度高、动态响应快、抗干扰能力强，基本参数如下：

　　功率因数：PF=0.948（50A，57.6V）

　　效率：η=92.6％(50A,57.6V)。

　　输出峰－峰杂音：130mV。

5结束语

　　移相全桥ZVT变换电路是中、大功率直流电源变换器理想的方案之一，它效率高、EMI小、开关管的定额要求低、成本低。设计时，要根据散热平衡优化实现ZVT软开关的最小电流，既能提高功率传输的效率，又可降低成本。系统的环路设计要综合考虑稳态、动态性能指标和稳定性，采取必要的校正措施，并要设计合适的交越频率和中频带宽。采用移相全桥ZVT变换电路设计的DMA－48/50通信用基础开关电源，已经通过了原邮电部的入网测试，并取得了进网许可证。