Study and design of an adjustable rail-to-rail output single-stage Buck converter
0 引言
随着电力电子技术的不断发展，高压电源作为特种电源的一种被广泛应用于电力电网、通信、环境以及航空航天等诸多领域[1-2]。在电力电缆故障点的快速定位中，高压电源作为电缆检测仪的重要组成部分，配合高压脉冲电容器负责向故障电缆提供一定能量的脉冲激励信号，由接收机对回波信号进行分析和处理，得出故障点的位置信息。然而，地下电缆的长度、规格型号、耐压等级在不同的使用环境中需求各异，所以要求检测设备中高压电源的输出电压应能根据需要调节到适和电缆故障点定位需求的幅值，从而适应电缆的耐压等级，避免故障电缆二次击穿现象的发生。
根据应用需求，本文设计了一种轨到轨可调输出单级Buck变换器[3]，通过对全桥变换器直流母线输入电压进行前级预调压，然后经全桥逆变升压输出，从而实现高压电源宽范围可调输出，以满足用户在不同使用环境下对高压电源输出电压幅值的要求，提高电源的安全性和稳定性，避免电缆检测中电缆被二次击穿。
1 Buck变换器统一电路模型
Buck变换器的电路拓扑结构与统一电路模型[4-5]如图1所示，Q为功率开关管，VD为续流二极管，L为滤波电感，C为滤波电容，R为负载电阻，Vg为输入电压，Vo为输出电压，iL为电感电流，u为开关管控制信号。
根据图1可知Buck变换器输入至输出的传递函数以及占空比至输出的传递函数分别为：
2 Buck变换器反馈补偿控制器设计
根据式(1)、式(2)可知，Buck变换器的输出受到占空比D和负载R的影响。因此需要进行闭环反馈补偿控制，以提高系统的稳定性和鲁棒性。
2.1 Buck变换器技术参数设计
文中Buck变换器的主要技术参数如下：
(1)输入电压：AC 220 V；输出电压：DC 10~300 V连续可调，额定输出电流20 A，输出限流30 A；
(2)PWM控制器占空比调节范围：3%<D<97%；开关频率fs=50 kHz；
(3)输出滤波电感L=5.5 mH，输出滤波电容C=4 000 μF，假定负载为纯电阻：R≥15 Ω。
2.2 闭环稳定性分析
假设Gm(s)为PWM脉宽调制器的传递函数，脉宽调制采用锯齿波调制，幅值范围为0~Vm；H(s)为电阻R1和R2分压反馈网络的传递函数；Gc(s)为补偿网络的传递函数，则具有闭环反馈补偿控制的Buck变换器结构框图如图2所示。
其中
从图3(a)中Go(s)的极点分布以及幅相曲线的特点可知该系统是稳定的，但是其相对稳定性较低。
系统的相对稳定性主要体现在相位裕量和增益裕量两个方面。从图3(b)中Go(s)的幅频曲线可知Go(s)低频增益为8.5 dB的水平线，高频增益为以-40 dB/dec斜率穿越0 dB线的折线。系统增益交越频率fg=49.2 Hz；相位裕量Φm=180° arg(Go(j2πfg))=6°；增益裕量Ag<-40 dB。可见Go(s)的相位裕量和增益裕量均偏小，稳定性差，极端工作条件下系统性能下降，很容易造成系统失效。因此，需要对控制环路加入补偿，以提高系统的相对稳定性，增强系统的鲁棒性。
2.3 环路补偿设计
环路补偿[6-7]作为控制系统中改善系统静态和动态特性的重要组成部分，对系统的输出精度、电压调整率、频带宽度以及暂态响应均会产生影响。合适的补偿网络设计对控制器性能的改善有着重要的促进作用。通常，通过添加补偿网络使闭环控制系统的相位裕量和增益裕量为45°和10 dB左右，以减小系统超调和调节时间，同时提高系统的鲁棒性。图4为采用运算放大器构建的有源超前-滞后补偿网络。
补偿网络的传递函数为：
图5为添加补偿后系统传递函数G(s)的稳定性分析曲线。可以看到补偿后系统的稳定性得到了加强。
3 功能电路设计与软启动控制
3.1 Buck变换器硬件电路及工作原理
Buck变换器的设计主要包含PWM控制器外围电路、电压、电流双闭环控制以及环路补偿设计。图6为采用TL494的Buck电路[8]主控制电路。V_DTC通过DAC输出控制PWM死区时间，用以实现Buck变换器的启停调节与软启动；I_SENSE为电流反馈信号；LM358、AD822与外部电阻电容构建电压反馈补偿网络，实现控制回路的反馈补偿。
3.2 软启动控制
DC/DC变换器在开机瞬间会产生浪涌电流，需要对电路进行软启动[9]设置。
本文利用PWM控制芯片TL494存在PWM输出死区时间控制引脚的优点，通过软件可编程控制的DAC模块AD5663输出软启动控制电平，对PWM输出最大占空比进行限制，以抑制开关管峰值电流的增长速率，即：
4 仿真分析与实验验证
为了对上述Buck变换器设计的理论分析进行验证，采用Saber软件仿真与样机制作进行实验测试。
4.1 Saber软件仿真分析
根据图6中Buck电路控制器原理图设计，采用Saber软件进行仿真分析。依次测试Buck变换器在不同负载条件下的输出电压与反馈补偿环路输出电压的变化情况如图7所示。图中U1为Buck变换器的输出电压Vo，U2为反馈补偿环路输出电压Vcomp波形。
图7的仿真结果显示，改变参考电位V_SET，Buck变换器的输出电压Vo随之线性变化，达到了预期直流调压的要求。所设计的宽范围直流调压电路在轻载、满载以及负载突变的情况下，其输出电压的范围广度、稳定性、调节线性度以及负载调整率均达到了设计要求，理论上证实了设计的合理性。
4.2 实验测试与结果分析
根据理论与仿真分析的结果，通过研制一台样机，对其工作特性进行测试，得到如图8所示的Buck变换器的输出电压与PWM波形。
图8中设定Buck变换器参考电位的不同，PWM控制器均能根据反馈控制环路输出电压的变化快速实现输出电压对设定电压的跟踪效果，使得调压输出保持稳定。实验结果表明：根据前述Buck变换器理论模型的建立与Saber软件模型的仿真与分析结果，设计应用于高压电源的前级预调压电路，能够很好地满足高压电源宽范围连续可调的需求，同时保证了电源输出的安全性与稳定性。
5 结论
针对应用于电力电缆故障检测的可调高压电源设计，研制了具有轨到轨输出特性的单级Buck变换器，实现220V市电输入，10～300 V/20 A连续可调输出的Buck变换器设计，将其作为全桥变换器前级预调压，再通过高频升压变压器升压，有效保证了高压电源宽范围连续可调输出的安全性与稳定性。
本文详细阐述了Buck变换器统一电路模型分析以及Buck变换器的控制环路补偿分析与设计，采用软硬件协作的方式实现了Buck变换器在启动、空载、轻载、重载以及负载突变时的稳定工作。由于输出电压调节的广度，该设计既为可调高压电源的设计提供了良好的解决方案，同时，也可应用于大部分的低压直流设备的供电，因此具有广阔的应用前景。
参考文献
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作者信息：
汤健强，周凤星，梅鸣阳
（武汉科技大学 信息科学与工程学院，湖北 武汉430081）
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