0 引言

    隨著電力電子技術(shù)的不斷發(fā)展，高壓電源作為特種電源的一種被廣泛應(yīng)用于電力電網(wǎng)、通信、環(huán)境以及航空航天等諸多領(lǐng)域^[1-2]。在電力電纜故障點的快速定位中，高壓電源作為電纜檢測儀的重要組成部分，配合高壓脈沖電容器負(fù)責(zé)向故障電纜提供一定能量的脈沖激勵信號，由接收機(jī)對回波信號進(jìn)行分析和處理，得出故障點的位置信息。然而，地下電纜的長度、規(guī)格型號、耐壓等級在不同的使用環(huán)境中需求各異，所以要求檢測設(shè)備中高壓電源的輸出電壓應(yīng)能根據(jù)需要調(diào)節(jié)到適和電纜故障點定位需求的幅值，從而適應(yīng)電纜的耐壓等級，避免故障電纜二次擊穿現(xiàn)象的發(fā)生。

    根據(jù)應(yīng)用需求，本文設(shè)計了一種軌到軌可調(diào)輸出單級Buck變換器^[3]，通過對全橋變換器直流母線輸入電壓進(jìn)行前級預(yù)調(diào)壓，然后經(jīng)全橋逆變升壓輸出，從而實現(xiàn)高壓電源寬范圍可調(diào)輸出，以滿足用戶在不同使用環(huán)境下對高壓電源輸出電壓幅值的要求，提高電源的安全性和穩(wěn)定性，避免電纜檢測中電纜被二次擊穿。

1 Buck變換器統(tǒng)一電路模型

    Buck變換器的電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)與統(tǒng)一電路模型^[4-5]如圖1所示，Q為功率開關(guān)管，VD為續(xù)流二極管，L為濾波電感，C為濾波電容，R為負(fù)載電阻，V_g為輸入電壓，V_o為輸出電壓，i_L為電感電流，u為開關(guān)管控制信號。

    根據(jù)圖1可知Buck變換器輸入至輸出的傳遞函數(shù)以及占空比至輸出的傳遞函數(shù)分別為：

2 Buck變換器反饋補(bǔ)償控制器設(shè)計

    根據(jù)式(1)、式(2)可知，Buck變換器的輸出受到占空比D和負(fù)載R的影響。因此需要進(jìn)行閉環(huán)反饋補(bǔ)償控制，以提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性和魯棒性。

2.1 Buck變換器技術(shù)參數(shù)設(shè)計

    文中Buck變換器的主要技術(shù)參數(shù)如下：

    (1)輸入電壓：AC 220 V；輸出電壓：DC 10~300 V連續(xù)可調(diào)，額定輸出電流20 A，輸出限流30 A；

    (2)PWM控制器占空比調(diào)節(jié)范圍：3%<D<97%；開關(guān)頻率f_s=50 kHz；

    (3)輸出濾波電感L=5.5 mH，輸出濾波電容C=4 000 μF，假定負(fù)載為純電阻：R≥15 Ω。

2.2 閉環(huán)穩(wěn)定性分析

    假設(shè)G_m(s)為PWM脈寬調(diào)制器的傳遞函數(shù)，脈寬調(diào)制采用鋸齒波調(diào)制，幅值范圍為0~V_m；H(s)為電阻R₁和R₂分壓反饋網(wǎng)絡(luò)的傳遞函數(shù)；G_c(s)為補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)的傳遞函數(shù)，則具有閉環(huán)反饋補(bǔ)償控制的Buck變換器結(jié)構(gòu)框圖如圖2所示。

    其中

    從圖3(a)中G_o(s)的極點分布以及幅相曲線的特點可知該系統(tǒng)是穩(wěn)定的，但是其相對穩(wěn)定性較低。

    系統(tǒng)的相對穩(wěn)定性主要體現(xiàn)在相位裕量和增益裕量兩個方面。從圖3(b)中G_o(s)的幅頻曲線可知G_o(s)低頻增益為8.5 dB的水平線，高頻增益為以-40 dB/dec斜率穿越0 dB線的折線。系統(tǒng)增益交越頻率f_g=49.2 Hz；相位裕量Φ_m=180°+arg(G_o(j2πf_g))=6°；增益裕量A_g<-40 dB。可見G_o(s)的相位裕量和增益裕量均偏小，穩(wěn)定性差，極端工作條件下系統(tǒng)性能下降，很容易造成系統(tǒng)失效。因此，需要對控制環(huán)路加入補(bǔ)償，以提高系統(tǒng)的相對穩(wěn)定性，增強(qiáng)系統(tǒng)的魯棒性。

2.3 環(huán)路補(bǔ)償設(shè)計

    環(huán)路補(bǔ)償^[6-7]作為控制系統(tǒng)中改善系統(tǒng)靜態(tài)和動態(tài)特性的重要組成部分，對系統(tǒng)的輸出精度、電壓調(diào)整率、頻帶寬度以及暫態(tài)響應(yīng)均會產(chǎn)生影響。合適的補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)設(shè)計對控制器性能的改善有著重要的促進(jìn)作用。通常，通過添加補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)使閉環(huán)控制系統(tǒng)的相位裕量和增益裕量為45°和10 dB左右，以減小系統(tǒng)超調(diào)和調(diào)節(jié)時間，同時提高系統(tǒng)的魯棒性。圖4為采用運算放大器構(gòu)建的有源超前-滯后補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)。

    補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)的傳遞函數(shù)為：

    圖5為添加補(bǔ)償后系統(tǒng)傳遞函數(shù)G(s)的穩(wěn)定性分析曲線。可以看到補(bǔ)償后系統(tǒng)的穩(wěn)定性得到了加強(qiáng)。

3 功能電路設(shè)計與軟啟動控制

3.1 Buck變換器硬件電路及工作原理

    Buck變換器的設(shè)計主要包含PWM控制器外圍電路、電壓、電流雙閉環(huán)控制以及環(huán)路補(bǔ)償設(shè)計。圖6為采用TL494的Buck電路^[8]主控制電路。V_DTC通過DAC輸出控制PWM死區(qū)時間，用以實現(xiàn)Buck變換器的啟停調(diào)節(jié)與軟啟動；I_SENSE為電流反饋信號；LM358、AD822與外部電阻電容構(gòu)建電壓反饋補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)，實現(xiàn)控制回路的反饋補(bǔ)償。

3.2 軟啟動控制

    DC/DC變換器在開機(jī)瞬間會產(chǎn)生浪涌電流，需要對電路進(jìn)行軟啟動^[9]設(shè)置。

    本文利用PWM控制芯片TL494存在PWM輸出死區(qū)時間控制引腳的優(yōu)點，通過軟件可編程控制的DAC模塊AD5663輸出軟啟動控制電平，對PWM輸出最大占空比進(jìn)行限制，以抑制開關(guān)管峰值電流的增長速率，即：

4 仿真分析與實驗驗證

    為了對上述Buck變換器設(shè)計的理論分析進(jìn)行驗證，采用Saber軟件仿真與樣機(jī)制作進(jìn)行實驗測試。

4.1 Saber軟件仿真分析

    根據(jù)圖6中Buck電路控制器原理圖設(shè)計，采用Saber軟件進(jìn)行仿真分析。依次測試Buck變換器在不同負(fù)載條件下的輸出電壓與反饋補(bǔ)償環(huán)路輸出電壓的變化情況如圖7所示。圖中U₁為Buck變換器的輸出電壓V_o，U₂為反饋補(bǔ)償環(huán)路輸出電壓V_comp波形。

    圖7的仿真結(jié)果顯示，改變參考電位V_SET，Buck變換器的輸出電壓V_o隨之線性變化，達(dá)到了預(yù)期直流調(diào)壓的要求。所設(shè)計的寬范圍直流調(diào)壓電路在輕載、滿載以及負(fù)載突變的情況下，其輸出電壓的范圍廣度、穩(wěn)定性、調(diào)節(jié)線性度以及負(fù)載調(diào)整率均達(dá)到了設(shè)計要求，理論上證實了設(shè)計的合理性。

4.2 實驗測試與結(jié)果分析

    根據(jù)理論與仿真分析的結(jié)果，通過研制一臺樣機(jī)，對其工作特性進(jìn)行測試，得到如圖8所示的Buck變換器的輸出電壓與PWM波形。

    圖8中設(shè)定Buck變換器參考電位的不同，PWM控制器均能根據(jù)反饋控制環(huán)路輸出電壓的變化快速實現(xiàn)輸出電壓對設(shè)定電壓的跟蹤效果，使得調(diào)壓輸出保持穩(wěn)定。實驗結(jié)果表明：根據(jù)前述Buck變換器理論模型的建立與Saber軟件模型的仿真與分析結(jié)果，設(shè)計應(yīng)用于高壓電源的前級預(yù)調(diào)壓電路，能夠很好地滿足高壓電源寬范圍連續(xù)可調(diào)的需求，同時保證了電源輸出的安全性與穩(wěn)定性。

5 結(jié)論

    針對應(yīng)用于電力電纜故障檢測的可調(diào)高壓電源設(shè)計，研制了具有軌到軌輸出特性的單級Buck變換器，實現(xiàn)220V市電輸入，10～300 V/20 A連續(xù)可調(diào)輸出的Buck變換器設(shè)計，將其作為全橋變換器前級預(yù)調(diào)壓，再通過高頻升壓變壓器升壓，有效保證了高壓電源寬范圍連續(xù)可調(diào)輸出的安全性與穩(wěn)定性。

    本文詳細(xì)闡述了Buck變換器統(tǒng)一電路模型分析以及Buck變換器的控制環(huán)路補(bǔ)償分析與設(shè)計，采用軟硬件協(xié)作的方式實現(xiàn)了Buck變換器在啟動、空載、輕載、重載以及負(fù)載突變時的穩(wěn)定工作。由于輸出電壓調(diào)節(jié)的廣度，該設(shè)計既為可調(diào)高壓電源的設(shè)計提供了良好的解決方案，同時，也可應(yīng)用于大部分的低壓直流設(shè)備的供電，因此具有廣闊的應(yīng)用前景。

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作者信息：

湯健強(qiáng)，周鳳星，梅鳴陽

（武漢科技大學(xué) 信息科學(xué)與工程學(xué)院，湖北 武漢430081）