兩級寬輸入DC／DC變換器設計與建模分析

摘要：寬輸入DC／DC變換器功率器件承受電壓應力變化范圍大，增加了電路損耗，減小了使用壽命。兩級式變換器能夠減小電路中功率器件的電壓應力，但控制較為復雜。此處研究了一種電流控制型雙Buck級聯形式的寬輸入開關電源，僅對后級電路進行閉環控制，簡化了控制，有效減小了電路體積。建立了電路傳遞函數模型，討論了電路的穩態特性及動態特性，進行了電路的穩定性分析，并通過仿真與實驗分析，證明了電路具有良好的動態性能和輸出穩定性，從而驗證了設計方案的可行性。
關鍵詞：變換器；寬輸入；開關電源；傳遞函數

1 引言
隨著開關電源在各行業的廣泛應用，對DC／DC變換器的需求已經成為衡量經濟發展的一個標識。對于單級變換器而言，由于輸出電壓一定，在不同輸入電壓情況下電路中半導體器件兩端的脈寬波形具有很大差異。輸入電壓越高，開關管導通時間越短，其在關斷期間承受的電壓越高，而電路中的整流二極管則會在開關管導通期間承受高壓窄脈沖，流過開關器件的電流平均值不變，有效值增加，導致開關管、整流管、濾波電容及其他器件的溫度急劇上升，開關管導通損耗大，變換器效率下降，甚至引起永久性損壞。而兩級式DC／DC變換器各級的輸入、輸出電壓之差都小于單級DC／DC變換器的輸入、輸出電壓之差，能夠減輕單級變換器在寬電壓范圍工作時所承受的負擔，大大增強了其對寬范圍電壓輸入的適應能力。然而兩級式變換器體積大，控制較為復雜，且電路的穩定性較差。
此處設計的兩級Buck寬輸入DC／DC變換器具有兩級式變換器的優點，減小了輸出電流較大時功率器件的開關損耗。采取了前級開環、后級閉環的控制策略，并通過補償網絡提高了系統的穩定性。變換器具有效率高、控制簡單、系統穩定性高、適應輸入電壓范圍寬等優點。

2 寬輸入變換器拓撲介紹
雙Buck級聯寬輸入DC／DC變換器主電路拓撲如圖1所示，滿載時變換器工作在持續電流模式下，輸入電壓范圍為19～150 V，閉環工作時輸出電壓為30 V，最大輸出功率為500 W。

Uin，Ug，Uo為變換器的輸入電壓、前級Buck電路輸出電壓和變換器的輸出電壓，VS1和VS2，VD1和VD2，L1和L2為前、后級Buck電路的開關功率管、續流二極管和電感，iL1和iL2為流過L1和L2的電流，Ro為等效負載電阻，Io為負載電流。Gvd1(s)，Gvd2(s)分別為前、后級電路的控制，輸出傳遞函數，Gm(s)為PWM傳遞函數，Gc(s)為電壓控制器傳遞函數，H(s)為電壓采樣網絡傳遞函數，D1為前級占空比。

電路在不同輸入電壓范圍下的工作情況如表1所示。在30～75 V電壓范圍內，僅后級Buck電路工作，此時輸出功率Po=500 W，Uin=Ug，Uo=30 V，VS2占空比D2為0．4～1，開關頻率fs2=100 kHz，最大輸出電流Iomax=Po／Uo=16．7A。