全桥DC_DC变流器模块阻抗特性研究.pdf

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1、2007 年7 月 电 工 技 术 学 报 Vol.22 No.7 第 22 卷第 7 期 TRANSACTIONS OF CHINA ELECTROTECHNICAL SOCIETY Jul.2007 全桥 DC/DC 变流器模块阻抗特性研究 马 瑜 邱苍宇 张军明 钱照明（浙江大学电气工程学院 杭州 310027）摘要 模块阻抗特性的研究对于电力电子系统稳定性的判定具有重要的作用。本文详细分析了一种典型的全桥 DC/DC 变流器模块的输入输出阻抗特性，该模块采用电压模式控制方式，并且主要工作在 CCM 方式下。文中介绍和分析了系统环路增益对改善模块闭环阻抗特性的作用。实验表明，文中所提出的

2、阻抗分析流程对其他类型电源模块的阻抗特性研究，具有很好的参考价值。关键词：阻抗特性 输入阻抗 输出阻抗 阻抗测量 中图分类号：TM463 Research on Impedance Characteristics of Full Bridge DC/DC Converter Modules Ma Yu Qiu Cangyu Zhang Junming Qian Zhaoming（Zhejiang University Hangzhou 310027 China）Abstract The research on impedance characteristics of power modules

3、 is very important in the stability estimation for cascaded power systems.In this paper,the input and output impedances of the voltage mode controlled full bridge converter under CCM operation are clearly analyzed.The influences of the loop gain on the impedance characteristics are discussed and pre

4、sented in the paper.The experimental results show that the proposed research process could be used to analyze the impedance characteristics of other power modules.Keywords：Impedance characteristics,input impedance,output impedance,impedance measurement 1 引言 随着电力电子技术应用范围的不断扩大，标准化和模块化技术已经成为电力电子技术发展的必然

5、趋势1-3。在利用标准模块进一步组合用户所需应用系统的过程中，必然会涉及到由模块级联、串联、并联所引起的系统稳定性问题4，而这些问题很大程度上又取决于系统中各模块的阻抗特性。因此，研究模块的阻抗特性能够很好地应用于电力电子系统的稳定性判断。同时模块的阻抗特性也反映了其自身的工作性能，通过对模块阻抗特性的研究，可以进一步地优化设计模块的电路参数，确定模块的阻抗标准，从而确保整个系统的稳定性。本 文 详 细 分 析 和 测 量 了 一 种 典 型 的 全 桥DC/DC 变流器模块的阻抗特性，该模块采用常见的光耦隔离电压模式控制方式，并且主要工作在 CCM方式下。通过对该变流器模块小信号模型的建立来

6、分析模块的阻抗特性，然后通过实际阻抗测量验证理论上的分析，并根据测量结果针对性地改进了模块的闭环阻抗特性，确定了模块阻抗分析和设计的主要步骤和流程，对其他类型模块电源的阻抗特性研究，具有很好的参考价值。2 全桥 DC/DC 变流器小信号模型 全桥变流器拓扑结构如图 1 所示。一次侧开关管采用 PWM 调制方式，S1、S4同时开通关断，S2、图 1 全桥 DC/DC 变流器拓扑 Fig.1 The topology of full bridge DC/DC converter 收稿日期 2007-02-29 改稿日期 2007-06-08 第 22 卷第 7 期 马 瑜等 全桥 DC/DC 变流

7、器模块阻抗特性研究 43 S3同步开通关断；S1与 S3的开关时序为互补关系。该全桥 DC/DC 变流器采用光耦隔离控制，考虑变流器中一次侧 IGBT 的导通压降 Vce，折算到二次侧的等效导通电阻 RS，二次侧整流二极管的导通压降VD，等效导通电阻 RD及输出滤波电感和电容的寄生参数，其小信号等效电路如图 2 所示。图 2 全桥 DC/DC 变流器小信号模型 Fig.2 Small signal model of full bridge DC/DC converter 图 2 中，Z1、Z2和 Z3为环路增益中的补偿网络，当采用光耦隔离控制时，在控制环中将有两个环路增益，分别对应于图 2 中

8、从 A 点断开控制环的环路增益 TA和从 B 点断开控制环的环路增益 TB，关于这两个环路的分析，文献5已有比较详细的研究。根据文献5的研究结果，当采用电压模式控制时，基于环路增益 TA的设计能更全局面考虑变流器的性能，特别是变流器的稳定性能。因此本文对于全桥变流器的设计将按照环路增益 TA来设计，也相应地按照 TA来研究模块的阻抗特性。图 3 为基于 TA的变流器小信号系统框图。图 3 中 Kfb为输出电压分压网络增益，A(s)为误差放大器补偿网络的传递函数，Aoc(s)为光耦电路的传递函数，1/Vm为 PWM 的传递函数，Gvd(s)为控制到输出的传递函数，Gvg(s)为输入到输出的传递函

9、数，Zo(s)为变流器的开环输出阻抗。由图 3 可以得 图 3 全桥 DC/DC 变流器小信号系统框图 Fig.3 Small signal system structure of full bridge DC/DC converter 到环路增益 TA的表达式 ocvdAfbm()()()1()AsGsTsKA sV=+（1）一般的环路增益带宽内有 PKfbA(s)P，TA可以近似表达为 ocvdfbAm()()()()AsGsKA sTsV=（2）当光耦由独立电源或辅助电源供电时，TA的表达式即为式（2）。本文在实现电压模式控制方式时采用独立电源给光耦供电，因此下面关于模块阻抗特性的研究和

10、闭环阻抗特性优化过程都是基于这一近似处理。模块的开环和闭环阻抗表达式如下：开环输入阻抗 122Lcooi2eLc1()1()()RRsQsZ ss CRRn D+=+（3）开环输出阻抗 eeecLo-122Lcoo()(1)()1Rs Ls CRRZsRRsQs+=+（4）闭环输入阻抗 1AicAiAin_dc111()1()1TZsTZ sTR=+（5）闭环输出阻抗 oocA()()1ZsZsT=+（6）其中 eonlRRR=+，Lin_dc2()RRn D=，oee1LC=，eeLceeceeLce()()LCRRQLCRRCRRR+=+。3 变流器模块阻抗特性分析 3.1 变流器开环阻抗

11、特性 本节对等效电路模型的各种开环阻抗进行了曲线拟合,并与实际测量的模块开环阻抗进行比较,来进一步验证以上理论分析的准确性。变流器中主开管 IGBT 和二次侧整流二极管的导通压降和等效导通电阻与具体的工作情况有关系，满载时 Vce为 1V 左右，导通电阻 Rce为 0.4左右，RS=2Rcen2，则 RS在 0.2左右；VD为 1.2V 左右，RD为 0.1左右。设定全桥变流器的输入电压为330V，输出电压为 110V，变流器的占空比为 0.75，则 Re为 0.25左右，RL=10，Vm=3.3V，Ce=170F，Rc=0.3，Le=180H，R1=0.01。将以上参数代入到变流器开环阻抗表

12、达式中，可以将理论计算出的开环输入输出阻抗和测量的开环输入输出阻抗进行 44 电 工 技 术 学 报 2007 年 7 月 对比。图 4 给出了分别由小信号模型计算以及实验测量得到的开环输入阻抗特性，图 5 给出了由小信号模型计算以及实验测量得到的开环输出阻抗特性。对比理论计算得到的阻抗特性图和用AP200 实测的阻抗特性图，可以看出理论分析的结果与实际测量的结果基本上是一致的。输入阻抗在高频段为输出滤波电感的阻抗特性，输出阻抗在高频段为输出滤波电容的阻抗特性。在高频段理论值和实测值有些差异，主要是因为理论值是由基于状态平均法的小信号模型，滤波电容和电感的等效电路模型计算出来的，小信号模型在高

13、频段不能非常准确地反映变流器的实际阻抗特性。(a)开环输入阻抗幅频特性 (b)实测开环输入阻抗幅频特性 图 4 模块开环输入阻抗特性 Fig.4 Open-loop input impedance characteristics (a)开环输出阻抗幅频特性 (b)实测开环输出阻抗幅频特性 图 5 模块开环输出阻抗特性 Fig.5 Open-loop output impedance characteristics 3.2 变流器环路增益设计 变流器采用电压模式控制方式，在通过优化环路增益带宽和相位裕量来改进模块的阻抗特性时，环路增益的带宽和相位裕量要满足以下要求：（1）环路增益的带宽 in_d

14、cESRhighchighmin max(,),Rfffff（2）环路增益的相位裕量 oom60 70 其中，in_dcRf是开环输入阻抗幅频图上谐振频率点以上幅值为in_dcR对应的频率；fESR是输出滤波电容 的 ESR 零点对应的频率；fhigh是可设计的带宽的最大频率，一般为 1/10 或 1/5 的开关频率。本文将遵循这两个要求，根据全桥变流器满载运行情况下的电路参数来设计环路增益，进而优化模块的闭环阻抗特性。根据对开环阻抗特性的研究及变流器的工作参数可知，in_dcRf在 9kHz 左右，fESR在 3kHz 左右，fhigh 取 10kHz。则根据要求确定目标设计的环路增益的带宽

15、和相位裕量如下：fc=10kHz，m=70。由图 2可知，Gvd(s)由电路的参数决定，K1b由输出电压和TL431 的参考电压决定，1/Vm由控制芯片的 PWM决定，因此将重点设计 Aoc(s)和(s)以满足系统对带宽和相位裕量的要求。3.2.1 Gvc(s)的确定 定义vcvdm()=()GsGs V，Gvc(s)是补偿网络(s)和光耦传递函数oc(s)设计的基础，因此首先需要 确定 Gvc(s)。Gvc(s)的表达式如下 oecLvc122Lcmoo1+1()=+1+Vs CRRGsD RRVsQ s （7）3.2.2 光耦小信号模型分析及 Aoc的确定5 图 6 为光耦电路的小信号等效

16、电路。光耦中晶体管的集电极与基极间的结面用来检测光强 第 22 卷第 7 期 马 瑜等 全桥 DC/DC 变流器模块阻抗特性研究 45 度，因此结面面积相对较大，导致结电容 CCB的容值比较大，限制了光耦的带宽。通常开关电源中用到的光耦的 CCB在 15pF 左右，hfe在 350 左右。由于光耦的增益很小，在设计时需要注意这一极点的影响。图 6 光耦小信号等效电路 Fig.6 Equivalent circuit of the optocoupler 基于以上分析和光耦的小信号模型可以得到光耦的传递函数 ococ1oc23CBfe1()1/(/()CTRAsRRZss Ch=+（8）当补偿网

17、络 Z3中只有一个补偿电容 Coc时，式(8)可以简化为 oc2ococ1oc1()1/RAsCTRRs=+（9）其中 CTR 为光耦电流传递系数。ococ2ocfeCB1()RChC=+（10）3.2.3 补偿网络 A(s)的确定 图 7 是型补偿网络的电路结构及传递函数,该补偿网络可以提供两个零点和三个极点用来拓展环路增益的带宽和增加相位裕量。(a)补偿网络 C 电路结构 (b)补偿网络 C 传递函数 图 7 补偿网络电路 Fig.7 The compensation network 图 7 对应的补偿网络的传递函数如下 22113321133212112331211()/()()1()/

18、()(1)1()()(1)(1)RsCsCA sRRsCsR Cs RR CR C CsR CCssR CCC+=+=+（11）3.2.4 环路增益 TA的实际设计 基于以上的分析来设计环路增益 TA，Gvc(s)中含有两个极点和一个零点，分别为 fESR=3kHz，vcvcp1_p2_o910HzGGfff=；Aoc(s)中含有一个极 点，极点对应的频率 foc由 Coc决定，并受限于光耦本身；A(s)可以提供两个零点 fz1，fz2和三个极点 fp1，fp2，fp3。下面通过分析它们之间的关系，来确定补偿网络的参数，从而设计环路增益 TA。具体步骤如下：（1）取 fz1，fz2，fo来扩展

19、带宽，增加相位裕度。（2）取 fp2=fs/2 用来抑制高频纹波。（3）由于 fESRfc，可以利用 fESR来增加相位裕量。在 fc之前，设定 focfESR，先利用 fESR进一步增加相位裕量，再利用 foc使得环路增益 TA以20dB/dec 的斜率穿越 0dB。这样可以拓展带宽和增加相位裕量。基于以上分析取 foc=5kHz。（4）补偿网络 A(s)的设计一定要考虑实际运放的频率响应，A(s)在整个频率范围内的增益要小于运放相应频率下的开环增益。本文在设计过程中，取 Roc1=Roc2=2，假定 CTR=1，由式（9）可以确定Aoc(s)。补偿网络 A(s)的设计基于 Gvc(s)Ao

20、c(s)的传递函数。由式（11）可以确定补偿网络的各元件参数和 A(s)。按以上步骤设计的 TA各补偿元件参数列于表 1。表 1 TA中实际补偿元件参数 Tab.1 The parameters of the compensation network R1/k R2/k R3/k C1/nF C3/nF Coc/nF43 7.5 75 24.7 4.4 10 通过以上分析设计，环路增益 TA的带宽和相位裕度达到了设计目标。环路增益的带宽在 10kHz，相位裕度在 70左右。3.3 变流器闭环阻抗特性 当环路增益 TA的设计满足了优化模块阻抗特性所要求的带宽和相位裕度后，可以进一步地分析研究变流

21、器的闭环阻抗特性。由式（2）、式（5）、式（6）以及 TA的设计参数可以计算出模块闭环阻抗特性。图 8 为由小信号模型理论计算以及实验测量得到的开环输入阻抗特性，图 9 是由小信号模型理论计算以及实验测量得到的开环输出阻抗特性。46 电 工 技 术 学 报 2007 年 7 月 (a)变流器闭环输入阻抗幅频特性 (b)实测闭环输入阻抗幅频特性 图 8 模块闭环输入阻抗特性 Fig.8 Closed-loop input impedance characteristics (a)变流器闭环输出阻抗幅频特性 (b)实测闭环输出阻抗幅频特性 图 9 模块闭环输出阻抗特性 Fig.9 Closed-l

22、oop output impedance characteristics 理论计算得到的阻抗特性与实际测量得到的结果是比较一致的。由模块的闭环输入输出阻抗特性图，对比开环输入输出阻抗特性图可以得知,环路增益 TA的优化设计进一步改进了模块的闭环阻抗特性。4 结论 本文详细分析和测量了一种典型的全桥 DC/DC变流器模块的阻抗特性。建立了变流器完整的小信号模型，在此基础上给出了阻抗特性的表达式；然后通过实际阻抗测量分析了变流器的开环阻抗特性，并根据测量结果针对性地优化设计了变流器的控制环，从而使得环路增益的带宽和相位量满足设计需要，改进了模块的闭环阻抗特性；确定了模块阻抗分析和设计的主要步骤和流

23、程，对其他类型模块电源的阻抗特性研究，具有很好的参考价值。参考文献 1 Lee F C,Dengming Peng.Power electronics building block and system integrationC.Conference Record of IEEE-PIEMC,2000,1:1-8.2 Kevin T Kornegay.Design issues in power electronic building block system integrationC.Conference Record of IEEE-VLSI,1998:48-52.3 Lee F C,Va

24、n Wyk J D,Boroyevich D.et al.Technology trends toward a system-in-a-module in power electronicsJ.IEEE-Circuits and Systems Magazine,2002:4-22.4 Zhang J M,Xie X G,Jiao D Z,et al.Stability problems and input impedance improvement for cascaded power electronic systemsC.Proceedings of IEEE APEC,2004,2:1018-1024.5 Panov Y,Jovanovic M M.Small-signal analysis and control design of isolated power supplies with optocoupler feedbackJ.IEEE Transactions on Power Electronics,2005,20:823-832.作者简介 马 瑜 男，1981 年生，博士研究生，主要研究方向为高频模块电源变换技术。邱苍宇 男，1981 年生，硕士研究生，主要研究方向为模块阻抗测试技术。