SEPIC電路環(huán)路補(bǔ)償研究

韓冬

【摘 要】SEPIC電路具有效率高、輸出升降壓、開關(guān)停止停振等優(yōu)點(diǎn)，本文在分析SEPIC電路基本原理的基礎(chǔ)上，利用電源環(huán)路控制理論，介紹了一種SEPIC轉(zhuǎn)換器環(huán)路補(bǔ)償參數(shù)的設(shè)計(jì)方法，通過實(shí)驗(yàn)得出設(shè)計(jì)的SEPIC電路完全滿足性能指標(biāo)，動(dòng)態(tài)性能良好，驗(yàn)證了理論設(shè)計(jì)的正確性。

【關(guān)鍵詞】SEPIC；環(huán)路補(bǔ)償；環(huán)路控制；直流-直流變換器

0 引言

隨著能源短缺、環(huán)境污染等問題日益嚴(yán)重，電動(dòng)汽車作為一種安全、經(jīng)濟(jì)、清潔的綠色交通工具，在能源、環(huán)境方面有其獨(dú)特的優(yōu)越性和競爭力，因而具有廣闊的發(fā)展前景。

電動(dòng)汽車驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)作為唯一的動(dòng)力裝置，由電機(jī)和控制器組成?？刂破髦饕晒β誓K和控制模塊構(gòu)成。不管是功率模塊還是控制模塊，其有源器件的電源一般來自直流電源或電池，這就需要廣泛使用DC-DC 轉(zhuǎn)換器。在DC-DC轉(zhuǎn)換器中，Buck-Boost，Cuk，SEPIC轉(zhuǎn)換器都能滿足升降壓的要求。但是經(jīng)過Buck-Boost和Cuk轉(zhuǎn)換器變換后的輸出電壓與輸入電壓的極性是相反的。這個(gè)問題一方面雖然能通過在電路中加一個(gè)隔離變壓器來修正，但是不可避免地會(huì)增加轉(zhuǎn)換器的體積和成本；另一方面，由于SEPIC既能夠工作在升壓和降壓模式，又不會(huì)有極性相反的問題。對(duì)于這樣的應(yīng)用，SEPIC轉(zhuǎn)換器無疑是一種理想的選擇。

SEPIC電源轉(zhuǎn)換電路作為一種開關(guān)模式的功率轉(zhuǎn)換器，控制方法采用脈寬調(diào)制技術(shù)（PWM），通過閉環(huán)負(fù)反饋來改善開環(huán)系統(tǒng)的響應(yīng)，達(dá)到期望的電源調(diào)整率、負(fù)載調(diào)整率及動(dòng)態(tài)響應(yīng)等要求。由于環(huán)路設(shè)計(jì)受到輸入電源、輸出負(fù)載和溫度等因素的影響，工作過程中可能產(chǎn)生自激振蕩或者寄生振蕩，影響整個(gè)電源的工作，因此其設(shè)計(jì)對(duì)于SEPIC電源的穩(wěn)定性起著決定性的作用。在反饋環(huán)路控制的設(shè)計(jì)中， 由于涉及到多種電路原理， 需要大量復(fù)雜的數(shù)學(xué)推導(dǎo)。為簡化設(shè)計(jì)， 可采用波特圖的方法完成補(bǔ)償參數(shù)設(shè)計(jì)。

本文以分塊電路介紹環(huán)路參數(shù)的設(shè)計(jì)方法，利用波特圖，為設(shè)計(jì)者選擇元件參數(shù)提供依據(jù)， 通過實(shí)驗(yàn)調(diào)試進(jìn)行適當(dāng)調(diào)整， 可達(dá)到最佳的控制效果。

1 電源環(huán)路控制理論

圖1為一個(gè)典型的SEPIC轉(zhuǎn)換器負(fù)反饋閉環(huán)調(diào)節(jié)系統(tǒng)。雖然脈寬調(diào)制電路包含誤差放大、PWM形成電路外還具備許多輔助功能， 但對(duì)于閉環(huán)穩(wěn)定性問題， 僅需考慮誤差放大器和PWM電路。對(duì)于輸出電壓Vo緩慢或直流變化，圖1的負(fù)反饋電路是穩(wěn)定的。但在環(huán)路內(nèi)， 對(duì)于動(dòng)態(tài)變化的情況下，存在低電平噪聲電壓和含有豐富連續(xù)頻譜的瞬態(tài)電壓。這些分量通過輸出LC濾波器、誤差放大器和Vea到Vy的PWM調(diào)節(jié)器會(huì)引起增益改變和相移。噪聲干擾諧波分量中的任意一個(gè)分量，其增益和相移發(fā)生變化時(shí)都可能導(dǎo)致正反饋，并因此引起振蕩。因此，SEPIC電源轉(zhuǎn)換電路的環(huán)路補(bǔ)償是非常必要的。

SEPIC轉(zhuǎn)換器是一種四階的高度非線性系統(tǒng)，具有復(fù)雜的頻率特性，工作過程中極易產(chǎn)生自激振蕩或者寄生振蕩。本文根據(jù)經(jīng)典控制理論中的頻率穩(wěn)定判據(jù)，利用波特圖，判定SEPIC控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性并確定補(bǔ)償電路的參數(shù)。

2 SEPIC電路頻率特性

控制環(huán)路有兩部分組成，第一部分是電源級(jí)，由脈沖寬度調(diào)制器、輸出濾波器、電流感測(cè)電路和負(fù)載組成。第二部分是誤差放大器，這是將運(yùn)放配置成一個(gè)反相放大器組態(tài)來實(shí)現(xiàn)的。控制環(huán)路補(bǔ)償?shù)囊环N通用方法是為電源級(jí)和誤差放大器創(chuàng)建增益和相位的波特圖。

SEPIC轉(zhuǎn)換器不含反饋回路時(shí)是一種系統(tǒng)，峰值電流模式SEPIC轉(zhuǎn)換器由直流增益、一個(gè)負(fù)載極點(diǎn)、ESR零點(diǎn)、一個(gè)右半平面零點(diǎn)和峰值電感電流的采樣產(chǎn)生的一個(gè)雙重極點(diǎn)組成。電流感測(cè)電路被當(dāng)作一個(gè)直流增益，并包含在APS的表達(dá)式中。

負(fù)載極點(diǎn)會(huì)造成低頻處增益以-20dB/十倍頻程產(chǎn)生滑降。右半平面零點(diǎn)和采樣雙重極點(diǎn)的結(jié)合可維持斜率超出開關(guān)頻率之外。相位在低頻處趨向于-90°，但接著會(huì)增加至-180°，并會(huì)超出RHP零點(diǎn)和采樣雙重極點(diǎn)。可以不觀察ESR零點(diǎn)的影響，因?yàn)槠漕l率一般位于開關(guān)頻率之上的幾個(gè)十倍頻程處。

采用誤差放大器實(shí)現(xiàn)補(bǔ)償，并提供高直流增益（為輸出精度）和高相位裕度（為控制環(huán)路穩(wěn)定性）。將誤差放大器作為帶輸入阻抗ZI和反饋?zhàn)杩筞F的反相運(yùn)算放大器，能夠推導(dǎo)出補(bǔ)償模塊的傳遞函數(shù)GEA。

4 結(jié)論

本文分析了SEPIC電源系統(tǒng)的頻率特性，通過串聯(lián)反饋校正，實(shí)現(xiàn)了整個(gè)系統(tǒng)的穩(wěn)定收斂，最后通過測(cè)試實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了該方法的正確性。

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[責(zé)任編輯：王偉平]