机载DC/DC变换器动态特性研究

李晨蕾， 郑先成， 何国华， 孙梦楠

（西北工业大学自动化学院，陕西西安 710072）

随着多电飞机技术的逐步应用，飞机上需要大量的变换器进行功率变换以满足负载对用电形式的不同需求[1]。对于采用270 V供电体制的飞机需采用DC/DC变换器将270 V高压直流变换成28 V低压直流，用于与蓄电池并联供电的应急设备使用[2]。这种DC/DC变换器处于飞机分布式供电系统的中间环节，对整个级联系统的动态特性和稳定性具有重要影响[3]。由于动态特性和稳定性紧密联系，所以研究变换器的动态特性对于改善飞机电力系统的性能具有重要价值。

本文以移相全桥变换器为对象，通过理论分析、仿真和实验验证了控制带宽和输出滤波电感对变换器控制系统环路增益的影响，优化了变换器的动态特性，保证变换器输出满足GJB181A-2003的要求。

1 变换器设计

图1为移相控制DC/DC全桥变换器的主电路拓扑图[4]。变换器的主电路参数为：输入电压为270 V；输出电压为28 V；工作频率为 20 kHz；输出额定电流为 52 A；滤波电感L为5μH；滤波电容为C为2 247μF。

图1 DC/DC变换器主电路

图2 DC/DC变换器输出系统控制框图

系统的小信号模型系统控制框图如图2所示[5]。其中，Gm(s)为PWM脉宽调制器的传递函数，H(s)表示反馈分压网络的传递函数，Gc(s)为补偿网络的传递函数。

Gvd(s)为由控制到输出的传递函数。输出控制系统补偿前的回路增益传递函数为：

补偿后环路增益为：

采用单零点单极点的补偿网络[6]，其传递函数如式（3）所示：

图3为输出控制系统补偿前后的环路增益幅相特性。由图可知，补偿网络显著改善了输出控制系统的环路增益；补偿后，变换器的直流增益为31.7 dB，相位裕度为114°，理论上保证了该变换器具有良好的动稳态特性。

图3 补偿前后环路增益

2 变换器动态特性的影响因素

由式（2）可以得出，补偿后变换器的环路增益与滤波电感、电容及补偿网络均有关系。补偿网络对于变换器的影响，由补偿后的环路增益带宽体现出来，电容与电感对动态特性的影响等价，因此本文只分析输出滤波电感和控制带宽对变换器动态特性的影响。

2.1 滤波电感对变换器动态特性的影响

电感常与电容组成输出滤波器，用于抑制输出电压纹波[7]。当输出发生变化时，由于电感本身特性会阻碍电流的变化，这便会对变换器的动态特性有一定的影响。图4所示为同一补偿网络下电感分别为5、10、20μH时的变换器环路增益。在低频段，不同电感下的幅频曲线轨迹基本一致，而在高频段，变换器的控制带宽随着电感值的增大而减小。由此说明，电感对高频段有比较显著的影响，对低频段影响较小。

图4 不同电感下的补偿后幅相特性曲线

图5所示为不同电感时变换器突加突卸负载（100%-50%-100%）的输出电压波形。电感值越大，稳态时纹波幅值越小，变载时调节时间越长。加卸载时的输出电压过冲与欠冲量随着输出电感值的增大而增大。因此综合考虑，本文设计的DC/DC变换器选择滤波电感值为5μH。

2.2 带宽对变换器动态特性的影响

图5 不同电感时的系统动态特性

为了研究带宽对变换器动态特性的影响，分别设计补偿网络保证控制系统环路增益带宽为1 kHz，500 Hz，100 Hz。

图6所示为不同带宽下控制系统的环路增益。在整个频域上，变换器的直流增益随着控制带宽的增大而增大。控制带宽的改变对环路增益的相频曲线几乎没有影响，但控制带宽为1 kHz时，控制系统相位裕度最大。

图6 不同带宽下的补偿后幅相特性曲线

图7所示为不同控制带宽下的变换器突加负载瞬间输出电压的动态特性。随着带宽的增大，变换器的调节时间减小，而电压超调量随着带宽的增大而减小。在实际中，带宽的增加会抬升高频段的增益（如图6所示），导致高频抗干扰能力降低。其中，输出电感为5μH，带宽为500 Hz时的变换器工作在额定负载下时，在20ms时负载由100%突变到50%，超调量为9.7%，调节时间为0.5ms；在25ms时，负载由50%突变到100%，超调量为8.7%，调节时间为0.5ms,满足GJB-181A要求[8]。因此，从性能、经济方面综合考虑，本文设计的DC/DC变换器控制带宽为500Hz。

图7 不同带宽下的系统动态特性

3 变换器仿真及实验

3.1 变换器的环路增益仿真测量

变换器的输出控制系统环路增益测量电路如图8所示[9-10]。网络分析仪产生的激励信号通过变比为1∶1的变压器注入到被测电路中。网络分析仪将从A,B两点获取的响应信号相比，即能得到变换器的环路增益特性曲线。

图8 环路增益测量方法

Saber仿真软件中的环路扫描仪tdsa具有网络分析仪的功能，可利用其实现频域的环路仿真。按此方法，在Saber仿真平台下对控制带宽为500 Hz的变换器进行环路增益仿真，得到的控制系统环路增益特性曲线如图9所示。由图中看出，幅频特性曲线30 Hz处的增益为20 dB，带宽为560 Hz，高频段幅频特性曲线的斜率为－20 dB/dec，相位裕度为110°。理论计算时未考虑开关管响应时间和寄生参数等因素，导致仿真所得带宽较理论值稍偏大，但在可接受范围内。

图9 补偿后环路增益仿真测量结果

3.2 样机实验

综合考虑机载变换器稳定性和动态特性要求,按照第一节所述主电路元件参数搭建硬件电路，样机控制带宽设为500Hz。参考图8所示的环路增益测量方法，利用英国牛顿公司的网络分析仪PSM1700测量样机的环路增益如图10所示。

图10 样机环路增益特性

由于电路各器件本身特性、耦合以及测量精度的问题，导致样机环路增益测量结果较理论计算及仿真值相差3 dB，在正常误差范围内；相位裕度为90°，能够保证稳定；控制系统只对带宽内的环路增益有调节作用，带宽以外的特性由滤波器决定；变换器抗高频干扰能力只取决于高频段的幅频特性，因此变换器良好的幅频特性保证了系统具有较好的抗高频干扰能力。综合来看，该补偿网络能够保证该样机具有较好的稳定性和动态特性。对样机进行突加突卸负实验，输出电压电流波形如图11所示，负载由50%突变到100%，超调量为5%，调节时间为15ms；负载由100%突变到50%，超调量为3%，调节时间为20ms。由此可得，样机的动态特性均符合GJB81A-2003要求且负载调整率较大。

图11 样机突加突卸负载电压电流输出

4 总结

为了设计符合GJB181A-2003相应要求的机载DC/DC变换器，本文通过频域法设计相应的补偿网络，并在Saber环境下对其仿真测量，分析了不同输出电感及不同带宽对变换器动态特性的影响，并搭建了相应的硬件样机进行实验，得到以下结论：输出滤波电感值越大，稳态时纹波幅值越小，变载时调节时间越长，加卸载时的输出电压过冲与欠冲量越大；带宽越大，调节时间越小，电压超调量越小。

[1]郑先成.飞机变频电力系统电压稳定性分析[D].西安：西北工业大学，2011.

[2]肖华锋.基于电流源型半桥拓扑的双向直流变换器技术研究[D].南京：南京航空航天大学，2007.

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[8]国防科学技术工业委员会.GJB 181A-2003飞机供电特性[S].北京：国防科学技术工业委员会，2003.

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