非理想变压器双开关正激变换器峰值电流控制的小信号分析

1、非理想变压器双开关正激变换器峰值电流控制的小信号分析Small-Signal Analysis of a dual-switch forward Converter with non-ideal transformer in Current-Programmed Control张卫平 雷禹周 李 志 孙哲峰北方工业大学绿色电源实验室100041电话Email：zwp摘要：针对峰值电流控制的双开关正激变换器，本文提出了一种有效的分析方法，建立了交流小信号模型，并应用这个模型分析了其主要电气特性，得到了如下结论：（1）、峰值电流控制可以大大提高系统对输入电压波动的抑制能

2、力；（2）、峰值电流控制减少了Q值，使系统变为一个低Q值的系统；（3）、峰值电流控制扩展了频带；(4)在采用峰值电流控制的正激变换器设计中，必须考虑励磁电感对系统产生的影响。关键词：双开关正激变换器 峰值电流控制 小信号模型AbstractA small signal analysis approach of a dual forward converter with non-ideal transformer in current-programmed control (CPC) has been investigated in this paper. A small-signal mode

3、l has been derived to determine the small-signal characteristics of the converter. By employing this model, the following significant features have been revealed or explained: (1). If the artificial ramp slop is properly selected, the ideal line-to-output transfer function of the converter becomes z

4、ero. That is to say, the output voltage fluctuation of causing from a perturbation of the DC bus voltage can be substantially restrained; (2). The CPC can greatly reduce the Q-factor and make the converter to become a low Q-factor system; (3). The current-programmed control can extend the bandwidth;

5、 (4).The magnetizing inductor plays an important role in the converter, so we must consider it when we design the control circuit.Keywordsdual forward converter, current-programmed control, small signal model1、引言双正激变换器是目前中大功率变换器中应用最多的拓扑之一。它克服了正激变换器中开关电压应力高的缺点，每个开关管的电压只承受输入直流电压；磁复位电路简单，可以保证变压器的可靠磁复位；

6、每一个桥臂都是由一个开关管与一个二极管串联组成，不存在桥臂直通的危险，可靠性高。因此，双正激变换器具有其它变换器无法比拟的优点。一般情况下，我们在对此类电路分析是将变压器视为理想元件，但实际情况并非如此。图1给出了考虑励磁电感的双开关正激变换器主电路的分析电路。电路中其他元件均为理想元件且电路工作在CCM模式下，占空比D0.5。图1双开关正激变换器2、峰值电流控制双开关正激变换器-电流环的小信号模型图2 励磁电感和滤波电感电流等效平均值与控制电流之间的关系图2给出了励磁电感和滤波电感电流等效值与控制电流之间的关系。分别表示励磁电感和滤波电感电流上升斜率之和、下降第一阶段斜率之和、下降第二阶段斜

7、率之和和人工斜坡补偿电流信号的斜率。表示等效输入电流在开关管导通期间的平均值，表示等效输入电流在开关管导通期间且励磁电感电流不为零之前的平均值，表示剩下的时间段的平均值。励磁电感和滤波电感电流平均值的表达式为： 其中：引入小信号扰动：其中，假定人工斜坡补偿信号中没有扰动量，则。分离扰动，,因此可以得到： 其中： 需要指出，在上面讨论中，表示励磁电感和滤波电感电流平均值之和的扰动量，而不是峰值的扰动量。因此，上述研究的主要贡献是将峰值电流控制模式转化为平均值控制模式。图3给出了峰值电流控制正激变换器的小信号交流模型。图3 峰值电流控制双开关正激变换器的小信号交流模型3、峰值电流控制-正激变换器的

8、传递函数以和作为输入变量，、 和为输出变量，可以得到描述正激变换器主电路的方程组， 其中： 求解方程（1.2）、(1.3)、(1.4)、(1.5)，得， 控制-输出传递函数，输入-输出传递函数，其中： 由上面分析可以得到如下结论：（1）、当时，峰值电流反馈可以消除输入电压波动对输出的影响。在工程设计时，取。因此，峰值电流控制可以大大提高系统对输入电压波动的抑制能力；（2）、可以证明，峰值电流控制减少了值，使系统变为一个低值的系统；（3）、，峰值电流控制扩展了频带。 通常，在引入峰值电流控制后，双管正激变换器的等效功率级实际是一个低值系统。等效功率级传输函数有两个实数特征根，和。定义为低频极点频

9、率，为高频极点频率。则有： 用控制-输出的传递函数表述电流环的等效功率级，其传递函数的近似表达式为，输入-输出传递函数表达式：4、仿真结果图4给出了正激变换器控制输出两种传递函数的仿真结果，包括幅频特性和相频特性。在图中，原功率级的传递函数用表示；在峰值电流控制模式中， 等效功率级的传递函数用表示，表示不考虑励磁电感作用时的等效功率级传函； 由于励磁电感的作用， 在BODE图上的差别还是比较大的，Qc不满足0.5的条件（表1），只能利用式(1.9)、(1.10)来进行计算，从仿真结果来看，在进行补偿网络的设计时，必须要考虑系统第二个极点的作用。图4 两种功率级传输函数的频率响应曲线表1 考虑励

10、磁电感与不考虑励磁电感作用的系统传函参数的对比LmGcoGgoQcc5.6mH6.875-1.796*10-30.1328.002*103+7.393-1.081*10-120.0541.811*104图5给出了音频衰减率的仿真结果。在仿真中，原功率级音频衰减率传函为；等效功率级传函为，表示不考虑励磁电感作用时的等效功率级音频衰减率传函。可以看出，电流反图5 音频衰减率的仿真结果馈可大大降低输入电压波动对输出电压产生的影响，但是，从表1的数据以及BODE图可以看出，励磁电感使这个作用大大降低。5.结论双开关正激变换器在引入峰值电流控制以后，可以给系统带来以下改善：（1）、当时，峰值电流反馈可以

11、消除输入电压波动对输出的影响。在工程设计时，取。因此，峰值电流控制可以大大提高系统对输入电压波动的抑制能力；（2）、峰值电流控制减少了值，使系统变为一个低值的系统；（3）、，峰值电流控制扩展了频带。在采用峰值电流控制的正激变换器设计中，通过对比考虑和不考虑励磁电感的系统等效功率级传递函数的仿真结果可以得出，励磁电感对系统等效功率级的输入-输出以及控制到输出的传递函数都产生很大的影响，因此在系统等效功率级要考虑励磁电感。参 考 文 献1 张卫平等，一种新型单级AC/DC变换器,电力电子技术,PFC技术专辑,20052 张卫平著，开关变换器的建模与控制，中国电力出版社，2006.1 3 杨华，正激

12、变换器的峰值电流控制模式的建模，电源世界，2005.84 A. Fontan, S. Ollero, E. de la Cruz, J. Sebastian, Peak Current Mode Control Applied to the Forward Converter with Active clamp, Volume 1, 17-22 May 1998 Page(s):45 - 51 vol.15 陈敏，马 皓，徐德鸿等，双正激电路中变压器激磁电感对电路工作影响的研究，机电工程，2001.186 卢增艺，林维明，熊代富等，有源钳位正激变换器闭环小信号模型分析，中国电工技术学会电力电子学会第九届学术年会论文集，pp238-2427 Byung-Il Kwon, Forward Converter Analysis by the Method of Coupling Electromagnetic