高频感应加热电源斩波器补偿电路的设计
高频感应加热电源斩波器补偿电路的设计
0 引言
感应加热电源的调功方法有很多，在进一步提高功率和逆变器的工作频率时，一般选择在整流侧调功。而斩波调功在直流电压下工作，供电功率因数高，对电网的谐波干扰小，电路的工作频率高，而且与逆变器控制分开，使得系统更加稳定可靠，故适用于电压型逆变器使用。
在斩波调功的感应加热电源中，逆变电源的功率控制主要是转化为buck斩波器的功率控制，即通过改变buck斩波器的驱动脉冲来调节输出电压，从而调节电源的输出功率。但是buck斩波器输出电压可能有偏差，环路设计就变成一项很重要的工作，它关系到电路的稳定性、响应速度、动态过冲等指标。本文在分析基于功率控制的buck斩波器的小信号模型和反馈控制模式的基础上，探讨了反馈控制的传递函数和环路参数的设计。
1 基于功率控制的buck变换器分析
如图1所示，buck变换器的功率控制包括3个部分，buck斩波器、误差放大器和pwm脉冲调节器，其中，buck斩波器反映了电源本身的特性，通过建模的方法可以分析其输入到输出、控制到输出的特性；误差放大器和pwm脉冲调节器构成反馈环节，误差放大器实质上是一个补偿网络，将给定信号与输出信号的差值放大，通过pwm脉冲调节器调节占空比d(t)最终可以调节输出电压uo，使输出稳定在给定值上。
整个功率控制环的设计可以等价为对buck斩波器控制器设计，因此必须首先建立控制对象——buck斩波器的在电感电流连续(c cm)模式下的小信号模型。
图2为设定buck电路工作于电感电流连续状态(c cm)，应用三端pwm平均模型方法，并考虑电感电阻rl和电容rc(esr)，见图3。图2中虚线框内部分为三端pwm模型，由开关管vt、二极管vdf和续流二极管vd组成，其中，ia和ic分别代表ia(t)、ic(t)的平均变量，uap和ucp分别代表 uap(t)、ucp(t)平均变量，其中ia(t)和ic(t)为流入a端和流出c端的电流瞬时变量，uap(t)和ucp(t)为端口ap和cp的电压瞬时变量，它们是时间的函数。将主开关管等效成受控电流源形式，二极管vdf等效成受控电压源形式，由此可以得出如图3中虚线所示的三端pwm7开关模型。
当不考虑电感内阻(通常可省略)时，可以得到buck变换器占空比到输出的传递函数为：
rc——滤波电容的esr
根据得到的buck变换器的小信号模型，利用matlab软件分析了其频率特性如图4和图5所示。图4和图5对比分析可以看出，受高频esr的影响，在穿越频率处又产生一个相位滞后角，同时使幅频特性的斜率由-2变成-1。从整体来看，系统的低频增益低，相角裕度ψ<45°。
所以整个闭环系统的开环传递函数是：
式中：k2(s)-pwm调制调制器传递函数，其传递函数k2(s)=1／um，其中um为锯齿波最大振幅。
本文用matlab软件设计了具有双零点、双极点的pi控制器，并对设计结果进行了仿真验证。根据bode定理，补偿网络加入后的回路增益应满足幅频渐进线以-20db／dec的斜率穿过剪切点(ωc点)，并且至少在剪切频率左右2ωc的范围内保持此斜率不变。
由此要求，首先选择剪切频率。实际应用中，选fc=fs／5为宜，其中fs为斩波器工作频率或开关管的开关频率。具体斩波器中，开关频率为50khz，则fc=50／5=10khz。
如图7中所示，未加补偿网络之前系统在fc=10khz处的增益为-11．4db，斜率为-40db／d ec，所以，补偿网络应满足如下条件：在fc=10khz处的增益为11．4db，斜率为+200db／dec，并保持此斜率在至少2ωc的范围内不变。取两个零点位于谐振频率附近，以抵消斩波器的2个极点(零点+2斜率补偿极点-2斜率，并补偿其相位滞后)；令一个极点p1抵消斩波器的esr零点：fp1≈fz,设置一个高频极点p2，fp2≈(5～10）fc，使高频段增益降低，以抑制高频噪声。根据以上要求，可以按如下方案设计：fz1=fz2=1．33khz，fp1=7．96khz，fp2=100khz，kp=3250则所设计的p i补偿器的参数如下：取r 1=5 0k ω，r 2=1 9．6k ω，r3=0．8 8k ω，c1=50pf，c 2=6．1nf，c3=2．36nf。实际电路中，取r1=．50kω，r 2=20kω，r 3=0．88kω，c1=50pf，c2=6．2nf，c3=2．2nf。
从图7中可以看出，增加pi补偿器后，系统补偿后低频增益提高，中频带宽增大，并以-20db／dec的斜率穿越零分贝线；系统截止频率近似为1okhz，与设计期望值相同；高频衰减迅速，很好地提高了系统抗干扰性能；补偿后的相位裕度达到了75°。
4 结束语
对于高频感应加热电源广泛应用的buck斩波调功电路，设计了双极点、双零点补偿电路，补偿后的系统不仅提高了系统响应速度，而且消除了稳态误差，系统性能明显提高。实验结果证明了这种补偿电路的实用性和有效性，对高频感应加热电源的改进和研究具有很好的参考价值。
易采用CMOS技术集成的多功能电流模式滤波器的设计和仿真验证分析
深度探析达索系统DELMIAWORKS核心优势
汽车膨胀水箱液位传感器应用
BMS专题之BMS基础功能模块特性参数上海航芯解读
诺德传动集团为了全面满足低功率电机的要求 推出了新规格的减速电机
高频感应加热电源斩波器补偿电路的设计
非同步的PWM提升转换器PL7512A
带有苹果联合创始人签名的Apple I电脑将进行拍卖
华为最新消息 华为壁纸起诉传音 传音股价跌超10% 华为债正在审批
清华大学研发类脑计算机
解答低频变压器该如何选择/是否越重越好
同步发电机并网三要素及条件
探究“防振抗压”的浮动板对板连接器
2023概伦电子技术研讨会：汇聚创新力量，技术引领未来
iOS10.3Beta2发布：28项功能更新，看看有哪些新功能！
三星最新黑科技：可折叠屏幕与可折叠处理器2019年到来
英政府斥资10亿英镑发力5G研究，推动VR普及
iPhone X网速输给了三星Note8,是否说明高通输给了英特尔
LED路灯设计目前面临的技术难点
为CMOS传感器，索尼该不该买瑞萨电子工厂？
0 引言
感应加热电源的调功方法有很多，在进一步提高功率和逆变器的工作频率时，一般选择在整流侧调功。而斩波调功在直流电压下工作，供电功率因数高，对电网的谐波干扰小，电路的工作频率高，而且与逆变器控制分开，使得系统更加稳定可靠，故适用于电压型逆变器使用。
在斩波调功的感应加热电源中，逆变电源的功率控制主要是转化为buck斩波器的功率控制，即通过改变buck斩波器的驱动脉冲来调节输出电压，从而调节电源的输出功率。但是buck斩波器输出电压可能有偏差，环路设计就变成一项很重要的工作，它关系到电路的稳定性、响应速度、动态过冲等指标。本文在分析基于功率控制的buck斩波器的小信号模型和反馈控制模式的基础上，探讨了反馈控制的传递函数和环路参数的设计。
1 基于功率控制的buck变换器分析
如图1所示，buck变换器的功率控制包括3个部分，buck斩波器、误差放大器和pwm脉冲调节器，其中，buck斩波器反映了电源本身的特性，通过建模的方法可以分析其输入到输出、控制到输出的特性；误差放大器和pwm脉冲调节器构成反馈环节，误差放大器实质上是一个补偿网络，将给定信号与输出信号的差值放大，通过pwm脉冲调节器调节占空比d(t)最终可以调节输出电压uo，使输出稳定在给定值上。
整个功率控制环的设计可以等价为对buck斩波器控制器设计，因此必须首先建立控制对象——buck斩波器的在电感电流连续(c cm)模式下的小信号模型。
图2为设定buck电路工作于电感电流连续状态(c cm)，应用三端pwm平均模型方法，并考虑电感电阻rl和电容rc(esr)，见图3。图2中虚线框内部分为三端pwm模型，由开关管vt、二极管vdf和续流二极管vd组成，其中，ia和ic分别代表ia(t)、ic(t)的平均变量，uap和ucp分别代表 uap(t)、ucp(t)平均变量，其中ia(t)和ic(t)为流入a端和流出c端的电流瞬时变量，uap(t)和ucp(t)为端口ap和cp的电压瞬时变量，它们是时间的函数。将主开关管等效成受控电流源形式，二极管vdf等效成受控电压源形式，由此可以得出如图3中虚线所示的三端pwm7开关模型。
当不考虑电感内阻(通常可省略)时，可以得到buck变换器占空比到输出的传递函数为：
rc——滤波电容的esr
根据得到的buck变换器的小信号模型，利用matlab软件分析了其频率特性如图4和图5所示。图4和图5对比分析可以看出，受高频esr的影响，在穿越频率处又产生一个相位滞后角，同时使幅频特性的斜率由-2变成-1。从整体来看，系统的低频增益低，相角裕度ψ<45°。
所以整个闭环系统的开环传递函数是：
式中：k2(s)-pwm调制调制器传递函数，其传递函数k2(s)=1／um，其中um为锯齿波最大振幅。
本文用matlab软件设计了具有双零点、双极点的pi控制器，并对设计结果进行了仿真验证。根据bode定理，补偿网络加入后的回路增益应满足幅频渐进线以-20db／dec的斜率穿过剪切点(ωc点)，并且至少在剪切频率左右2ωc的范围内保持此斜率不变。
由此要求，首先选择剪切频率。实际应用中，选fc=fs／5为宜，其中fs为斩波器工作频率或开关管的开关频率。具体斩波器中，开关频率为50khz，则fc=50／5=10khz。
如图7中所示，未加补偿网络之前系统在fc=10khz处的增益为-11．4db，斜率为-40db／d ec，所以，补偿网络应满足如下条件：在fc=10khz处的增益为11．4db，斜率为+200db／dec，并保持此斜率在至少2ωc的范围内不变。取两个零点位于谐振频率附近，以抵消斩波器的2个极点(零点+2斜率补偿极点-2斜率，并补偿其相位滞后)；令一个极点p1抵消斩波器的esr零点：fp1≈fz,设置一个高频极点p2，fp2≈(5～10）fc，使高频段增益降低，以抑制高频噪声。根据以上要求，可以按如下方案设计：fz1=fz2=1．33khz，fp1=7．96khz，fp2=100khz，kp=3250则所设计的p i补偿器的参数如下：取r 1=5 0k ω，r 2=1 9．6k ω，r3=0．8 8k ω，c1=50pf，c 2=6．1nf，c3=2．36nf。实际电路中，取r1=．50kω，r 2=20kω，r 3=0．88kω，c1=50pf，c2=6．2nf，c3=2．2nf。
从图7中可以看出，增加pi补偿器后，系统补偿后低频增益提高，中频带宽增大，并以-20db／dec的斜率穿越零分贝线；系统截止频率近似为1okhz，与设计期望值相同；高频衰减迅速，很好地提高了系统抗干扰性能；补偿后的相位裕度达到了75°。
4 结束语
对于高频感应加热电源广泛应用的buck斩波调功电路，设计了双极点、双零点补偿电路，补偿后的系统不仅提高了系统响应速度，而且消除了稳态误差，系统性能明显提高。实验结果证明了这种补偿电路的实用性和有效性，对高频感应加热电源的改进和研究具有很好的参考价值。
易采用CMOS技术集成的多功能电流模式滤波器的设计和仿真验证分析
深度探析达索系统DELMIAWORKS核心优势
汽车膨胀水箱液位传感器应用
BMS专题之BMS基础功能模块特性参数上海航芯解读
诺德传动集团为了全面满足低功率电机的要求 推出了新规格的减速电机
高频感应加热电源斩波器补偿电路的设计
非同步的PWM提升转换器PL7512A
带有苹果联合创始人签名的Apple I电脑将进行拍卖
华为最新消息 华为壁纸起诉传音 传音股价跌超10% 华为债正在审批
清华大学研发类脑计算机
解答低频变压器该如何选择/是否越重越好
同步发电机并网三要素及条件
探究“防振抗压”的浮动板对板连接器
2023概伦电子技术研讨会：汇聚创新力量，技术引领未来
iOS10.3Beta2发布：28项功能更新，看看有哪些新功能！
三星最新黑科技：可折叠屏幕与可折叠处理器2019年到来
英政府斥资10亿英镑发力5G研究，推动VR普及
iPhone X网速输给了三星Note8,是否说明高通输给了英特尔
LED路灯设计目前面临的技术难点
为CMOS传感器，索尼该不该买瑞萨电子工厂？