移相全桥仿真建模与控制 第一节

前言:本文基于Plecs 4.1.1仿真环境。

移相全桥作为类BUCK拓扑,其原边能实现ZVS,副边易于实现大电流输出,对输出电容要求低。使用占空比调制更容易实现宽的输入输出范围,在工业界已经有大批量应用。此篇文章的内容是描述在PLECS仿真软件中如何实现移相全桥的仿真模型,这种PWM实现方法也十分易于在其它仿真环境和DSP中实现。

第一部分 移相全桥简介

不同于普通对称开关的全桥,移相全桥分为超前和滞后桥臂,两组半桥使用互补50%开关。通过调整超前与滞后桥臂之间的相位差,实现调整传递到副边电感上的占空比大小。通过相位调整来实现闭环控制,在控制的角度可以看成BUCK类拓扑的衍生,如果不关注原边占空比的发生原理。只关注副边BUCK的占空比到输出电压的传递函数的话,完全可以当成BUCK来设计闭环控制器。移相全桥的优点是可以让原边开关实现ZVS,隔离驱动易于实现,不足之处是并非全范围ZVS,占空比会丢失一部分,原边功率环流等等。

硬件框架:在原边增加了一个谐振电感,用于实现原边的ZVS用,其他和普通全桥一致。

控制波形:

驱动AB为超前桥臂驱动信号,驱动CD为滞后桥臂驱动信号。通过调整CD滞后于AB的时间来调整传递到副边电感上的方波占空比。

第二部分 移相驱动波形的实现

不同于模拟控制器UCC3895这种通过大量锁存器实现的方法,在数字控制器和仿真环境中用三角波载波的方法更容易实现移相驱动波形。

可见下图示意,把超前桥的高端驱动放在三角波的是0 ~ 0.5*prd产生,低端波形加入死区后互补产生。滞后桥臂的高端驱动根据所需要的滞后时间在三角波的 (0+Tdelay)~ (0.5*prd + Tdelay)产生,低端驱动加入死区时间后互补输出,这样就很容易的得到了移相全桥控制所需的超前和滞后PWM波,控制器通过调整Tdelay的大小,也就实现了滞后桥滞后角度的调整。

在PLECS仿真环境里的实现:

用单上升沿的三角波输入,当三角波大于设定的原点作为桥臂的PWM起点,同理PWM的结束点就用三角波小于(起点+半周期)这个点,有了两个时间点就可以用and逻辑把高端驱动捕获,再通过加入死区时间得到互补的高低端驱动,可见下图:

PWM发生器得到波形为可见下图,其中中间为超前桥驱动,从三角波的零点开始到中点关闭。滞后桥的起点是三角波的零点加控制值,然后关断点是三角波的中点加控制值。

闭环控制:

通过增加闭环控制器就可以很容易实现闭环,闭环这一块可以用PID或其它控制器实现,下图是电压模式控制的实现:

启动波形:

说明:关于环路设计部分后面会单独写一篇。感谢观看,谢谢。

参考文档:

1,Phase-ShiftedFull-Bridge,Zero-Voltage 

Transition Design Considerations Application Report

Literature Number:SLUA107A September 1999 – Revised August 2011

2, UCC3895 数据手册。

3,脉宽调制DC/DC全桥变换器的软开关技术(第二版)阮新波著

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