SPWM控制的交叉反激变换器设计

夏德印，陈国定，张海亮

（浙江工业大学 信息工程学院，浙江 杭州 310023）

0 引 言

反激变换器具有拓扑简单、可靠性高、高频隔离等优点，广泛应用在中小功率场合和辅助电源领域［1］，其拓扑结构随着电子技术的发展不断衍化，如单端反激变换器、交叉反激变换器等。

交叉反激变换器较单端反激式具有很多优点：输出量纹波小、容量可扩展、单支路输出功率降低、散热性好等特点，可解决单端反激变换器纹波脉动大、开关管电压应力大的缺点。

采用SPWM波控制交叉反激变换器，可提高变换器的响应速度、提高稳定性、减小输出电流中的高次谐波成分等［2］，在电力电子技术中应用广泛，结果证实所设电路较好的整体性能及设计的合理性。

1 电路拓扑及分析

1.1 电路拓扑

设计的SPWM控制的交叉反激变换器电路拓扑如图1所示，其由DC／DC电路、LC滤波电路组成。其中，L1、L2分别为变压器T1一、二次侧绕组电感，N1、N2分别是变压器一、二次绕组匝数，n＝N2／N1，T2与 T1参数一致；L5、C1分别是滤波电感、电容。

1.2 电路分析

1.2.1 工作原理

以T1为例介绍反激变换器［3］工作原理：当开关管S1导通时，分析T1同名端知副边电压极性，此时D截止，变压器T1存储能量，则T1原边相当于电感，流过其电流线性上升至最大值I1，T1存储的能量为：E1＝L1I21／2；开 关 管 S1关断时，T1副边电压极性突变，D1导通，T1存储的能量传输出去，此时，开关管关断瞬间次级电流I′1＝I1／n。

反激变换器的原边电感电压表达式为：

图1 交叉反激变换器拓扑

理想情况下由磁通原理可得变压器副边输出电压表达

式为：

图 交叉反激变换器工作波形

其中，Ui输入电压，U0输出电压，T是 驱动周期，D是驱动占空比，TD是S1的导通时间，n＝N2／N1。

T2与T1的工作原理完全一致，在此基础上，S2与S1交替导通，即为交叉反激电路的互补工作过程。

1.2.2 电路输出

设计的SPWM控制的交叉反激变换器通过SPWM波驱动开关管S1、S2，将Ui变换为高频脉冲存储在反激变压器中，通过变压器的隔离变换后调制成只有正弦波正半周的直流电，工作波形如图2所示。

2 控制策略与设计

2.1 控制策略

该变换器采用电压回馈控制策略［4］，通过检测电路电压作为控制的基础。本设计采用线性光耦PC817测量电压，与霍尔测量电压模块相比，具有精度高、成本低的优势。设计的电压回馈测量电路具有电路简单、精度高、成本低廉、测量电压范围广等优点，如图3所示。

图3 控制电压测量电路

式中，Ip为PC817发光二极管的正向电流，Vp为PC817发光二极管的正向导通压降。

期望的传输特性方程为：

TL431产生的基准电压Vref为：

设任意一个PC817的传输特性方程为：

令R6＝R7＝R8＝R9，则：

通过设置R8和R11就可以把PC817的特性方程校准至期望传输方程：

2.2 控制设计

2.2.1 SPWM控制的原理

SPWM波是PWM波的占空比按对应时刻的正弦规律变化，用SPWM波来驱动开关管的方法即为SPWM控制。SPWM是正弦参考波与高频三角载波相交生成的正弦脉宽调制信号，脉宽及脉冲的间隔是正弦波和等腰三角波的交点决定的，具体波形

如图4所示。

图4 SPWM调制波

2.2.2 DSP2812生成SPWM波

采用DSP2812生成SPWM波，缩短了开发时间，同时简化了用于产生PWM波的控制软件和外部硬件。DSP2812集成了事件管理器A与B［2］，它们可产生多路两极性相反且带有死区的PWM波，实时改变比较寄存器的值，从而改变PWM波的占空比，再通过配置输出逻辑和死区，就可通过GPIO口输出SPWM波。

为了减小运算量，提高程序执行速度，利用MATLAB将所需的比较寄存器的值计算好后放入Sin［count］表中，其包含了输出SPWM波所需的比较寄存器值，程序利用查表法实现对Sin［count］的读取。其初始化设置程序如下：

2.3 滤波电容设计

由于输出为100Hz直流电，频率较低，则需要容量较大的电容来避免直流侧电压波动的过大，电容选择关系式如下：

其中，C是直流电容，δV是直流电压波动为输入的平均功率，ω为角频率。电容的容量越大，输出电压波动越小，但变压器输出整流后滤波电容越大［5］，开通瞬间的浪涌电流就会越大，可能损坏其它元件，为安全起见，因此，滤波电容还是适当最好。

3 结果

根据设计原理，制作了一台SPWM控制交叉反激输出参数为110V／100Hz的变换器样机，其输出结果波形如图5所示。

图5 样机输出波形

通过样机输出波形可知，样机输出效果良好，达到了设计目的。

4 结束语

通过对设计的SPWM控制的交叉反激DC／DC变换器电路拓扑和原理进行分析，实验结果证实了SPWM控制的交叉反激变换器拓扑、控制策略和理论分析的正确性和可行性。所设变换器具有输出纹波小、结构简单、便于维护、瞬态响应好、散热性好、成本低等特点，在众多场合具有很好的应用前景，也可以用作逆变器前级电路，这样逆变器仅有前级有2个高频开关，降低了的开关损耗［6］，并且易于实现。

［1］王红梅，唐春霞，龚春英.改进型交错并联有源箝位反激变换器的研究［J］.电力电子技术，2007，41（5）：47-48，57.

［2］董显林，喻寿益.基于TMS320F28的正弦脉宽SPWM［J］.自动化技术与应用，2005，24（1）：50-53.

［3］A.Ch.Kyritsis，E.C.Tatakis，N.P.Papanikolaou.Optimum Design of the Current-Source Flyback Inverter for Decentralized Grid-Connected Photovoltaic Systems［J］.IEEE Trans.On Energy Conversion，2008，23（1）：281-293.

［4］ GU Jun-yin， WU Hong-fei，CHEN Guo-cheng，XING Yan.Research On Photovoltaic Grid-Connected inverter Based On Soft-Switching Interleaved Flyback Converter［J］.IEEE Industrial Electronics and Applicationsis，2010（5）：1209-1214.

［5］D.Wang，X.N.He，and J.J.Shi.Design and analysis of an interleaved flyback-Forward boost converter with thecurrent Auto balance characteristic［J］.IEEE Trans.Power Electron，2010，25（2）：489-495.

［6］ Yao-Ching Hsieh， Ming-Ren Chen， Hung-Liang Cheng.An Interleaved Flyback Converter Featured With Zero-Voltage Transition［J］.IEEE Trans.On Power Electronics，2011，26（1）：79-84.