PAGEPAGE2半橋多電平DC-DC變換器的工作原理分析案例目錄TOC\o"1-3"\h\u23247半橋多電平DC-DC變換器的工作原理分析案例 1322531.1Buck變換器 1172361.2半橋DC-DC變換器的基本電路圖及工作原理 3109661.3半橋多電平DC-DC變換器基本電路圖及工作原理 5166851.4閉環(huán)的控制方法與實(shí)現(xiàn) 91.1Buck變換器本課題研究的是一種基于Buck變換器的半橋多電平直流變換器，分析了Buck變換器的基本特性、結(jié)構(gòu)和功能，半橋多電平DC-DC變換器的研究是由Buck變換器演變成最后的結(jié)果，所以在此基礎(chǔ)上概述Buck基本變換器的本質(zhì)特征，之前已經(jīng)對(duì)該變換器的結(jié)構(gòu)和工作原理進(jìn)行了分析，并且對(duì)其進(jìn)行總結(jié)，將其工作結(jié)構(gòu)分為開(kāi)關(guān)三極管原件，以及二極管，還包括電感、電容、反饋環(huán)路。根據(jù)圖中的單刀雙擲開(kāi)關(guān)S是通過(guò)電源控制兩個(gè)不同的方向輸出，模型為導(dǎo)線(xiàn)繞成圓柱線(xiàn)圈的電感元件L和導(dǎo)體中間夾一層不導(dǎo)電的絕緣介質(zhì)電容元件C組成的Buck變換器的電路圖如圖2-1(a)所示。從圖中的2-1(b)所示，從占空比的角度看三極管D工作中的晶體管，電路圖中的變換器組成主要有二極管，電感L，電容C。在電路設(shè)計(jì)完成之后，電壓出現(xiàn)的變化是把直流的電壓轉(zhuǎn)換成直流電壓的功能。（a）（b）圖2-1Buck基本變換電路當(dāng)開(kāi)關(guān)S處在位置點(diǎn)時(shí)候，在我們所研究的電路圖中2-2（a）所示的電流流過(guò)電感線(xiàn)圈L，流過(guò)電路的電流會(huì)線(xiàn)性慢慢往上增加，流過(guò)的電流在負(fù)載電阻R上，電路的線(xiàn)端兩端有輸出電壓，直流電具有正、負(fù)極性。由圖可得結(jié)論，當(dāng)時(shí)，電容C處于充電的滿(mǎn)倉(cāng)狀態(tài)。表示二極管承受的反向電壓U；在之后其中，是S在a時(shí)間，是周期；與前面相對(duì)應(yīng)的分析當(dāng)開(kāi)關(guān)S處在位置時(shí)，如圖2-2（b）所示，線(xiàn)圈L的磁場(chǎng)會(huì)發(fā)生改變，并且整個(gè)兩端的電壓會(huì)逐漸呈現(xiàn)極性狀態(tài)，為了保持的電流不會(huì)產(chǎn)生變化。R兩端電壓仍是上正下負(fù)。時(shí)，電容處在放電狀態(tài)，有利于維持、不變。二極管在承受正方向的偏壓構(gòu)成通路為電流，這就是續(xù)流二極管的。與其對(duì)應(yīng)相稱(chēng)的降壓變壓器是由于變換器輸出的電壓小于電源輸出的電壓。輸入電流在工作中閉合開(kāi)關(guān)時(shí)，，打開(kāi)開(kāi)關(guān)時(shí)，，但輸出電流，L、D1、C具有連續(xù)的和平穩(wěn)的作用。輸出電壓等于占空比乘輸入電壓。（a）（b）圖2-2Buck變換器的電路工作過(guò)程根據(jù)循環(huán)開(kāi)始時(shí)感應(yīng)電流的大小，可分為感應(yīng)電流連續(xù)運(yùn)行和感應(yīng)電流斷續(xù)運(yùn)行兩種模式，波形分別如圖2-3所示。圖2-3Buck變換器的工作波形圖1.2半橋DC-DC變換器的基本電路圖及工作原理半橋DC-DC變換器的結(jié)構(gòu)是由Buck基本變換器來(lái)串入形成半橋式結(jié)構(gòu)再與變壓隔離器聯(lián)結(jié)演變而成。由于一次斷路器的壓降大，電路設(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu)比較簡(jiǎn)單，一般用于中、小功率，而應(yīng)用能夠廣泛應(yīng)用，通過(guò)對(duì)半橋式變壓器直流工作原理的分析，為半橋式變換器提供了較好的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，原邊開(kāi)關(guān)管會(huì)有一個(gè)電壓應(yīng)力降低，整個(gè)電路設(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu)十分簡(jiǎn)單，一般在中小功率中會(huì)被使用。因此本次設(shè)計(jì)都是從這樣的原理出發(fā)，將其從工作原理的角度進(jìn)行解析，變壓器狀態(tài)的特性簡(jiǎn)化了初始過(guò)程。站在穩(wěn)態(tài)特性角度分析，簡(jiǎn)化演變整個(gè)設(shè)計(jì)的推導(dǎo)過(guò)程，首先假定：（1）這里將設(shè)所有的開(kāi)關(guān)晶體管、二極管都是十分理想的電子元件，從原理上講就是可以隨時(shí)為導(dǎo)通或者通電截止?fàn)顟B(tài)，如果電路導(dǎo)通后壓降就是零，同樣的道理電路截止的時(shí)候漏電流也是為零。（2）在這類(lèi)型結(jié)構(gòu)中電感和電容是比較理想的電子元件，當(dāng)在工作的過(guò)程中，電感的顯示呈線(xiàn)性變化，但是一直不能達(dá)到飽和，這個(gè)時(shí)候電阻就是通路電阻，并且電容和串聯(lián)電阻含義一樣，相當(dāng)于零。（3）在輸出的電壓中，其紋波電壓和輸出電壓之間的比值幾乎可以為0?；倦娐啡缦旅娴膱D2-4：圖2-4半橋DC-DC變換器基本電路圖電容器、與開(kāi)關(guān)晶體管、組成橋,橋的對(duì)角線(xiàn)接變壓器T原邊繞組，故稱(chēng)半橋式變換器。在電路中如果假設(shè)，當(dāng)某一開(kāi)關(guān)晶體管通電后導(dǎo)通時(shí),發(fā)現(xiàn)繞組上的電壓只有電源電壓的二分之一。在比較穩(wěn)定電位狀態(tài)下,，開(kāi)關(guān)管導(dǎo)通時(shí),電壓加在上，開(kāi)關(guān)管流過(guò)電流。設(shè)計(jì)的電路在開(kāi)關(guān)管關(guān)斷的條件下，原邊繞組、電容形成一個(gè)電流的回路，在原邊繞組上、下兩端極性為分別為正負(fù)，經(jīng)過(guò)在一個(gè)脈沖循環(huán)內(nèi)（占空比）的時(shí)間后，因?yàn)樵吚@組存在的方向不變，所對(duì)應(yīng)的值會(huì)慢慢變小，這個(gè)時(shí)候B點(diǎn)的電位為負(fù)，導(dǎo)通，二極管通過(guò)能量的反激再生能量，這樣對(duì)再充電。在阻尼電阻的作用下B連接的電壓最終以振蕩的形式恢復(fù)到初始值。在關(guān)閉一段時(shí)間后，給一個(gè)使換流臂由關(guān)斷變?yōu)閷?dǎo)通的控制脈沖，導(dǎo)通，原邊繞組同名端變成反方向。電路通過(guò)電容、原邊繞組、開(kāi)關(guān)管形成一個(gè)回路，重復(fù)以前過(guò)程。不同的是，方向變反，關(guān)斷時(shí)點(diǎn)B擺動(dòng)到正，導(dǎo)通，反激能量對(duì)充電。副邊驅(qū)動(dòng)電路的工作如下：當(dāng)通電導(dǎo)通時(shí),副邊繞組電壓V使二極管導(dǎo)通,電流通過(guò)二極管、電感（）、負(fù)載（）構(gòu)成電流回路，當(dāng)斷開(kāi),繞組電壓兩端都變?yōu)榱?。電路?dǎo)通時(shí)，導(dǎo)通，負(fù)載R上的電流與電壓相關(guān)方向沒(méi)有發(fā)生改變，通過(guò)上面概述形成的方波電壓，經(jīng)過(guò)電感和電容構(gòu)成的濾波環(huán)節(jié)產(chǎn)生穩(wěn)定的輸出電壓。如圖2-5所示。圖2-5原邊開(kāi)關(guān)管電壓及輸出電壓波形1.3半橋多電平DC-DC變換器基本電路圖及工作原理圖2-6半橋多電平DC-DC變換器基本電路圖半橋三電平LLC變換器基本電路圖如圖2-6所示，LLC諧振器主要起到濾波的作用，不做主要觀察對(duì)象。半橋三電平變換器在移相控制下的工作波形如圖2-7所示。圖中，～分別表示開(kāi)關(guān)管～的開(kāi)關(guān)信號(hào)，與以及與互補(bǔ)導(dǎo)通180°，與的移相比為()，表示二者的移相角與180°之比(下同)，有。變換器開(kāi)關(guān)頻率恒定，且滿(mǎn)足。通過(guò)控制移相比來(lái)控制輸出電壓。圖SEQ圖\*ARABIC2-7移相控制下三電平半橋變換器的工作波形在開(kāi)關(guān)周期內(nèi)整個(gè)工作過(guò)程可以分為6個(gè)階段，其中每一個(gè)階段都會(huì)對(duì)象電路圖，如圖2-8所示。圖2-8變換器在每階段的運(yùn)行電路階段如圖2-8（a）所示。之前，和開(kāi)通，和關(guān)斷。時(shí)刻,關(guān)斷，諧振電流此時(shí)小于0，在電流的作用下，通過(guò)充電，通過(guò)放電。和發(fā)生諧振，在的作用下線(xiàn)性減小。到時(shí)刻，兩端電壓為,兩端的電壓為0。階段2如圖2-8（b）所示。當(dāng)在時(shí)刻，整個(gè)兩端的電壓變?yōu)?,在這個(gè)過(guò)程中零電壓開(kāi)通，諧振電流由負(fù)向變?yōu)檎?，。?lì)磁電感兩端電壓為，勵(lì)磁電流正向線(xiàn)性增大，輸入電壓和折算過(guò)來(lái)的輸出電壓的差值給諧振腔供電，和構(gòu)成諧振回路。其等效電路如圖2-8(a)所示。圖2-8變換器在每階段的運(yùn)行電路階段如圖2-8(c)所示。時(shí)刻，關(guān)斷，此時(shí)諧振電流大于0，在這一階段內(nèi)，充電，放電。和發(fā)生諧振,在的作用下繼續(xù)線(xiàn)性增大。到時(shí)刻，兩端電壓為,兩端電壓為0,導(dǎo)通,為的零電壓開(kāi)通提供條件。階段4如圖2-8(d)所示。時(shí)刻,開(kāi)通,充電至,導(dǎo)通，諧振電流此時(shí)大于勵(lì)磁電流，且方向?yàn)檎?，通過(guò)和給諧振腔供電。和發(fā)生諧振,繼續(xù)線(xiàn)性增大，減小，直到。此階段等效電路如圖2-8（b）所示。圖2-8變換器在每階段的運(yùn)行電路階段5如圖2-8（e）所示。時(shí)刻，諧振電流等于勵(lì)磁電流，即，變壓器二次側(cè)二極管全部截止,和變壓器一次側(cè)隔離開(kāi)來(lái),開(kāi)始參與諧振,此時(shí)的諧振頻率變?yōu)?。由于很大，所以諧振周期會(huì)很長(zhǎng),電流在這段時(shí)間內(nèi)變化不大，二次側(cè)電容給負(fù)載供電。此時(shí)的等效電路如圖2-8(c)所示。階段6如圖2-8（f）所示。時(shí)刻,關(guān)斷,在這一階段內(nèi),充電,放電。諧振電流通過(guò)給充電,放電,兩端電壓迅速增大,而兩端電壓迅速減小。當(dāng)減小到0時(shí),導(dǎo)通,實(shí)現(xiàn)零電壓開(kāi)通。1.4閉環(huán)的控制方法與實(shí)現(xiàn)使用PWM的調(diào)制方法對(duì)主電路進(jìn)行控制，根據(jù)載荷變化來(lái)控制開(kāi)關(guān)管的導(dǎo)通時(shí)間，從而實(shí)現(xiàn)開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓電源輸出。PID控制方法是出現(xiàn)最早的方法，當(dāng)時(shí)其所涉及的設(shè)計(jì)算法和控制結(jié)構(gòu)非常簡(jiǎn)單，非常適合工程應(yīng)用背景，然而隨著技術(shù)的發(fā)展，這樣的方案并不適用于所有的控制器，尤其是精準(zhǔn)的數(shù)學(xué)模型。但是一旦實(shí)行該控制方法，其效果十分明顯，比例積分微分控制器是工業(yè)實(shí)際應(yīng)用中使用最廣泛的控制策略。在實(shí)際應(yīng)用中，比較常見(jiàn)的控制器是串聯(lián)控制器，主要的結(jié)構(gòu)如圖2-9所示。在真正使用的過(guò)程中主要是通過(guò)驅(qū)動(dòng)裝置來(lái)控制受控對(duì)象，并且其主要被看做是飽和非線(xiàn)性連接，比例微分積分系統(tǒng)其主要結(jié)構(gòu)就是這樣，但是在控制的過(guò)程中，有些信號(hào)難免會(huì)存在一定的干擾性。因此，為了可以減少干擾信號(hào)的存在，在控制過(guò)程中主要是的將這些造成干擾的信號(hào)歸為高頻噪聲信號(hào)，并且將其進(jìn)行定義成是測(cè)量噪聲。圖2-9PID控制器的基本結(jié)構(gòu)連續(xù)比例積分微分控制器的一般形式為：其中，是系統(tǒng)誤差信號(hào)的加權(quán),是系統(tǒng)積分，系統(tǒng)的相對(duì)應(yīng)導(dǎo)數(shù)。為了可以對(duì)信號(hào)進(jìn)行控制，并且減少誤差的產(chǎn)生，更好的對(duì)被控對(duì)象進(jìn)行驅(qū)動(dòng)，在這個(gè)過(guò)程中，需要對(duì)控制器進(jìn)行合理的設(shè)計(jì)，并且在整個(gè)控制過(guò)程中讓其沿著誤差減少的方向進(jìn)行變化。PID控制結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，這三個(gè)加權(quán)系數(shù),和具有明顯的物理意義：比例控制器直接影響電流誤差信號(hào)，一旦出現(xiàn)錯(cuò)誤信號(hào)，控制器應(yīng)立即采取行動(dòng)以減少偏差。一般情況下，控制量值越大，偏差越小，在這個(gè)設(shè)計(jì)的電路中是對(duì)負(fù)載擾動(dòng)有影響，會(huì)使負(fù)載的敏感度隨著偏差變小而變小，與其相反的是測(cè)量噪聲的敏感度會(huì)隨著偏差減小而變的更高?？紤]到根軌跡分析，增加了閉環(huán)系統(tǒng)的無(wú)極限不穩(wěn)定性，在這個(gè)過(guò)程中積分控制器會(huì)對(duì)誤差信號(hào)產(chǎn)生一定的影響，一旦在控制器中將其積分控制進(jìn)行引入，就可以消除其產(chǎn)生的靜態(tài)誤差。但積分值的增加會(huì)增加系統(tǒng)的超調(diào)量，使系統(tǒng)產(chǎn)生一定程度的振蕩，很小的值會(huì)使系統(tǒng)的響應(yīng)慢慢變到一個(gè)穩(wěn)定值；微分控制器的主要作用于誤差導(dǎo)數(shù)，這樣可以對(duì)其進(jìn)行一定的預(yù)測(cè)，知道其變化趨勢(shì)，當(dāng)其出現(xiàn)的變化比較大的時(shí)候，可以根據(jù)分析對(duì)其進(jìn)行適當(dāng)?shù)目刂啤５脑黾拥闹悼梢约涌煜到y(tǒng)的響應(yīng)速度，減少調(diào)整時(shí)間。如果過(guò)大，則會(huì)由于系統(tǒng)噪聲或被控對(duì)象的大時(shí)延而出現(xiàn)問(wèn)題。對(duì)于整個(gè)設(shè)計(jì)而言，其參數(shù)處于核心地位，在整個(gè)系統(tǒng)中其PID控制參數(shù)包括三部分，主要是比例系數(shù)、積分和微分時(shí)間。該參數(shù)并不是隨便去尋找，而是需要根據(jù)之前研究的一些相關(guān)資料，對(duì)其參數(shù)調(diào)整的方法進(jìn)行總結(jié)和整理，目前主要是將其分為兩個(gè)部分：一個(gè)是通過(guò)一些理論公式將其進(jìn)行計(jì)算，這樣數(shù)據(jù)主要是在之前的數(shù)學(xué)模型上所建立，所以參數(shù)會(huì)更加理想化，產(chǎn)生的影響是理論化的參數(shù)相對(duì)于實(shí)際其實(shí)有時(shí)候并不能使用，要根據(jù)需要再進(jìn)行整理，再次整理的過(guò)程需要借助實(shí)際的工程；第二類(lèi)就是工程設(shè)置，這種方法說(shuō)白了就是經(jīng)驗(yàn)法，就是通過(guò)實(shí)驗(yàn)來(lái)確定參數(shù)，一般就是將控制算法在控制系統(tǒng)測(cè)試中進(jìn)行，相對(duì)來(lái)說(shuō)這種方法簡(jiǎn)單易掌握，而且也體現(xiàn)了理論聯(lián)系實(shí)際，這也是將理論知識(shí)放在實(shí)際工程中的應(yīng)用。經(jīng)過(guò)對(duì)資料整理和實(shí)際應(yīng)用，對(duì)其參數(shù)的調(diào)整方法主要分為三種，分別是臨界比例法、響應(yīng)曲線(xiàn)法和衰減法。對(duì)于這三種方法，每一種方法都會(huì)有其自身的特點(diǎn)，并且三種方法之間還存在一定的共同點(diǎn)，為了可以讓數(shù)據(jù)更加準(zhǔn)確，本次設(shè)計(jì)在對(duì)方法進(jìn)行確定的過(guò)程中，經(jīng)過(guò)再三考慮和對(duì)比，對(duì)其進(jìn)行調(diào)整主要分為以下幾個(gè)步驟：（1）在剛開(kāi)始的時(shí)候，采樣周期一定要盡可能小，確保在這樣的采樣周期中其系統(tǒng)可以正常工作；（2）之后周期穩(wěn)定之后，需要添加比例控制，當(dāng)出現(xiàn)突然的震蕩變化之后，可以對(duì)其比例系數(shù)和臨界震蕩周期進(jìn)行記錄；（3）在這樣的控制下，可以通過(guò)一定的公式對(duì)其參數(shù)進(jìn)行計(jì)算。在調(diào)試階段只是對(duì)其進(jìn)行粗略的計(jì)算，之后通過(guò)調(diào)節(jié)對(duì)其設(shè)定的參數(shù)加以修改，當(dāng)然有時(shí)候參數(shù)設(shè)定會(huì)比較好，但是也有時(shí)候會(huì)設(shè)定的不太理想，那么就要實(shí)際的思考和重新再設(shè)定。為了將系統(tǒng)的輸出電壓穩(wěn)定地控制在一定值，因此在設(shè)計(jì)的過(guò)程中采用閉環(huán)控制，這樣可以更好實(shí)現(xiàn)。在輸出電壓出現(xiàn)波動(dòng)的時(shí)候，這樣可以通過(guò)開(kāi)關(guān)管的占空比對(duì)其進(jìn)行調(diào)節(jié)和控制。對(duì)于整個(gè)閉環(huán)裝置，主要是有以下一個(gè)結(jié)構(gòu)組成，如圖2-10所示。在整個(gè)控制的過(guò)程中，在給定環(huán)節(jié)中設(shè)置輸出電壓為一定值，檢測(cè)環(huán)節(jié)會(huì)將實(shí)際的輸出電壓顯示，在比較的環(huán)節(jié)中，需要將給定和實(shí)際之間的電壓進(jìn)行比較，得到偏差；校正環(huán)節(jié)根據(jù)偏差的極性和大小調(diào)整開(kāi)關(guān)管的通斷時(shí)間；放大鏈路將校正鏈路的輸出調(diào)整到適當(dāng)?shù)谋嚷?。圖2-10控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖圖2-11是對(duì)其控制回路的總結(jié)，在這個(gè)過(guò)程中主要其主