半桥零电流DC-DC变换器电压PI控制与滑模控制研究-专业论文-自动化应用案例

半桥零电流DC-DC变换器电压PI控制与滑模控制研究

发布日期：2021-01-22 来源：《变频器世界》20-10期作者：张斌（Zhang Bin）金钧（Jin Jun）浏览次数：13866

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【摘　要】：大功率直流变换器普遍采用IGBT作为开关器件，其开关损耗很大一部分是由IGBT拖尾电流引起的关断损耗，零电流开关技术可以大大降低IGBT的关断损耗。文章首先介绍半桥零电流直流变换器实现IGBT零电流关断的工作过程，建立了直流变换器的数学模型。针对负载变化时输出电压不稳定的问题，文章提出电压PI控制与滑模控制策略，并进行对比分析与仿真验证。

关键词：LLC谐振变换器；辅助变流器；Matlab/Simulink

Abstract: The IGBT as the switch devices is widely used in high power dc converter. The switching loss of IGBT is mainly turn-off loss caused by the tailing current of IGBT. The zero current switching technology can greatly reduce turn-off loss of IGBT. This paper first introduces the working process of HB-ZCS DC-DC converter to realize zero current turn off of IGBT and establishes its mathematical model. Aiming at the problem of unstable output voltage when the load changes, this paper proposes voltage PI control and sliding mode control, which are verified by simulation.

Key words: HB-ZCS DC-DC converter; Sliding-mode control; Matlab/Simulink

1 引言

目前大功率隔离DC-DC变换器的开关器件多采用IGBT，其功率损耗主要为IGBT开关损耗、高频变压器的铁损和铜损、功率二极管的开关损耗，导线损耗等^[1]，其中开关损耗占功率损耗的主要部分。为了减小开关器件的开关损耗，一般采用软开关技术，主要包括ZVS、ZCS、ZVZCS技术。IGBT关断时的拖尾电流会阻止开关器件在期望的时间内关断^[²^]，这会导致较大的关断损耗。因此ZCS软开关技术更适用于大功率隔离DC-DC变换器。半桥零电流DC-DC变换器可以实现全部IGBT开关器件的零电流关断。

2 半桥零电流DC-DC变换器

图1所示为所述半桥零电流DC-DC变流器的拓扑结构，主要包括半桥逆变电路、高频隔离变压器和整流电路三个部分，其中整流桥输出连接了一个拥有辅助开关Sa和谐振电容Ca的支路。图中C1、C2为输入侧的稳压电容，S1、S2为主开关，Lk为变压器的漏感，D1~D2为整流二极管，Co、Co为输出滤波器，Ro为负载电阻，变压器的变比为m。

图1 半桥零电流DC-DC变换器的电路拓扑

2.1 工作原理

工作波形如图2所示。

图2 工作波形

2.2 半桥零电流DC-DC变换器的开环仿真

半桥零电流DC-DC变换器的开环仿真拓扑如图3所示。

图3 半桥零电流DC-DC变换器的开环仿真拓扑

图7 输出电压波形

3 半桥零电流DC-DC变换器的控制策略分析

开关变换器在负载变化或输入电压变化时输出电压会产生波动，为了保持输出电压的稳定，需要通过闭环反馈控制调节占空比来调节输出电压。

3.1 电压PI控制的研究及仿真

电压PI控制是一种基本的单环控制方式，如图8所示，为电压PI控制器，为PWM环节的调制系数。这种控制方式将电压信号与给定值作比较，将误差函数送入到电压PI控制器，然后输出控制信号给变换器，通过调节占空比来控制输出电压。电压PI控制方式简单，易于设计，但其响应速度较慢，补偿器设计较复杂等不足。

图8 电压反馈闭环控制框图

无补偿控制器的开环传递函数的幅频特性、相频特性如图9所示。

图9 开环传递函数的伯德图

补偿后的传递函数伯德图如图10所示。

图10 补偿后的开环传递函数伯德图

电压PI控制的输出电压仿真结果如图11所示。DC-DC变换器正常运行时输出电压稳定在120V，0.5s时，负载由1kW切换到2kW，仿真结果显示输出电压稳定保持在120V，在负载投切时输出电压出现约12V的降落，恢复稳定时间约7ms。电压PI控制可以调节输出电压使之稳定，但扰动时的电压变化幅度较大，扰动后的输出电压恢复稳定时间较长。