PSPICE 仿真在開關(guān)電源中的應(yīng)用

計算機仿真在增強器四極鐵電源設(shè)計中的應(yīng)用上海原子核研究所李瑞、盧宋林摘要：本文分析了增強器磁鐵電源的工作原理，討論了伯德圖在動態(tài)電源跟蹤性能設(shè)計上的指導(dǎo)作用，并將PSPICE“交流小信號分析”運用到PWM型開關(guān)電源上，最后仿真得到電源在上升時間段450ms內(nèi)全程具有好于0.1%誤差的跟蹤能力。關(guān)鍵詞：增強器磁鐵電源動態(tài)跟蹤仿真一．引言對于將建造的上海同步輻射裝置（SSRF）,在束流由300MeV至3.5GeV加速過程中，依據(jù)物理設(shè)計要求，增強器采用動態(tài)注入和引出方案，增強器主二、四極磁鐵電源的輸出電流均為1Hz周期的電流脈沖，其上升時間為450ms，下降時間小于550ms，對電流的返回曲線不做要求。各主磁鐵電流之間保持預(yù)定的比率關(guān)系，從而保證束流工作點誤差值在容許范圍內(nèi)，使加速器具有較高的注入效率，這就要求增強器磁鐵電源能夠有好的動態(tài)性能。增強器二極磁鐵電源的給定是采用下裝表格的形式，增強器四極磁鐵電源以增強器二極磁鐵電源的輸出電流為參考，要求在電流上升時間450ms內(nèi)都能夠以優(yōu)于0.1%的精度跟蹤二極磁鐵電源的輸出電流曲線，同時該電源的輸出峰值高達(dá)500A/380V。負(fù)載電感量為72mH,等效電阻為730mQ，時間常數(shù)為0.1S。對這樣大功率、寬范圍、高跟蹤精度動態(tài)開關(guān)電源，國內(nèi)外都沒有現(xiàn)成的產(chǎn)品。BNL和APS實驗室均采用的是12相可控硅整流結(jié)構(gòu)，這類電源工作頻率低，動態(tài)響應(yīng)慢，可勉強達(dá)到0.1%的跟蹤精度，國內(nèi)也沒有實驗室研制出該類電源。本文結(jié)合實際經(jīng)驗、自動控制理論和計算機仿真，對電源的動態(tài)跟蹤性能進行可行性研究，獲得該電源設(shè)計的理論依據(jù)。二．增強器四極磁鐵電源工作原理簡述由原理框圖1可知，三相交流電經(jīng)過三相感應(yīng)調(diào)壓器調(diào)壓、隔離之后，經(jīng)過三相全波整流、濾波后為斬波器提供直流源。電流給定和電流反饋的誤差信號經(jīng)過放大、校正網(wǎng)絡(luò)之后，送到工作頻率為20kHz的PWM調(diào)制器產(chǎn)生相應(yīng)的脈寬調(diào)制信號，該脈寬信號經(jīng)過驅(qū)動電路放大，控制斬波器功率管的開關(guān)，獲得頻率為20kHz的矩形電壓脈沖，經(jīng)過濾波之后，獲得紋波在容許范圍內(nèi)的直流輸出。反饋電流的取樣點選在負(fù)載回路，參見仿真電路圖4。該類電源工作頻率高，動態(tài)響應(yīng)快，效率可高達(dá)0.9以上。三.PSPICE電路仿真PSPICE軟件可以對連續(xù)模擬小信號進行頻域分析(即AC掃描)，頻域分析的結(jié)果-相位裕量和增益裕量直接影響到系統(tǒng)性能的好壞：相位裕量三80°,系統(tǒng)上升時間長，動態(tài)性能差；80°＞相位裕量＞40°，系統(tǒng)動態(tài)性能較好；相位裕量W40°，系統(tǒng)在大范圍調(diào)節(jié)時容易振蕩。PSPICE對電路的瞬態(tài)分析是對整個電路的綜合性能的分析，是我們需要的結(jié)果。這里功率級實際是開關(guān)離散性的，PSPICE對這樣的電路模型是不能夠進行頻域分析的，但是就該電路本身而言，后級的PWM調(diào)制實質(zhì)是一個功率放大器，對輸入給定信號的線性放大。因此，我們可以將PWM型電路的仿真分成兩步。第一步，用一個壓控電壓源取代開關(guān)電源的PWM調(diào)制部分，壓控電壓源的增益等于PWM調(diào)制部分的增益，對整個電路進行頻域分析，調(diào)整校正網(wǎng)絡(luò)，使之具有適當(dāng)?shù)脑鲆嬖Ａ亢拖辔辉Ａ浚玫絻?yōu)化的零極點分配及相位裕量圖，稱之為模擬分析。第二步，插入PWM功率級部分，進行瞬態(tài)分析，獲得對紋波的抑制以及電源的輸出對輸入的跟蹤精度的仿真結(jié)果，從而達(dá)到優(yōu)化設(shè)計的目的，稱之為PWM分析。下面分別對這兩步作一闡述。A.模擬分析一般地，對于一個給定的穩(wěn)定系統(tǒng)，它的開環(huán)傳遞函數(shù)總可以寫成：G(S)H(S)=K冇卩iS+1)；SV行"(TjS+1)i—1 j—1 ，要想能夠?qū)π逼滦盘柛?，則v三1,但當(dāng)v三2時，系統(tǒng)難以穩(wěn)定，故這里只能用v=1。穩(wěn)定后該系統(tǒng)對輸入信號的跟蹤誤差是一個常值，為輸入量的1/K倍。因此，要想得到高的跟蹤精度，就要求有大的開環(huán)增益，但隨著增益K的增加，系統(tǒng)的相位裕量會隨之減小，最終會導(dǎo)致系統(tǒng)的不穩(wěn)定，因此，在保證一定的跟蹤精度的基礎(chǔ)上，選擇適當(dāng)?shù)拈_環(huán)增益K,以求達(dá)到盡可能寬的跟蹤范圍。見頻域分析原理圖2,感性負(fù)載L6,R17形成一個一階極點fp1—R172皿6—1.6Hz。20kHz高fp2—/ —1.7KHz頻濾波器L5,C8形成一個二階極點’p‘22.L5C8 。fp1和fp2共同作用，使得在極點fp2之后增益的下降斜率為-60dB/Dec，因此系統(tǒng)的的增益曲線和0dB曲線的交接頻率fc不能高于1.7kHz,否則會引起振蕩。為抵消這個二階極點，增加一個補償網(wǎng)絡(luò)R18,C9和L6,R17一起共

fz1-土； 1.7KHZ同形成二階補償零點 飛'L6C9 。補償后伯德圖3中的增益曲線LODEGAIN在fp1之后始終以-20dB斜率下降。為使系統(tǒng)在低頻(低于1.6Hz)具有很高的增益，在5kHz以上頻率有-40dB的下降斜率，增加一個串聯(lián)校正環(huán)節(jié)，即圖3中運算放大器部分，fz2=/ =1.7Hz具有一個零點 /2kR11c6 和一個極點1(0-GAI1QV-lOulT-ltalT-啊」101HzlOOnBz1.0Hz10Hz100Hzl.OKHzIDKHzlOOKHzl.OBHz|T]o ?7(tl9:l)r @?P(VCU9:1UFrequencycurrectneniiurl<:TL￡i71龍：DhTILparellelcuiTectrietujorb:4F：431DDKP.flR.^...1ETEF：S:l_□BREAKyD113LIV—;-l9kR10H4HfP3=；2KR1(0-GAI1QV-lOulT-ltalT-啊」101HzlOOnBz1.0Hz10Hz100Hzl.OKHzIDKHzlOOKHzl.OBHz|T]o ?7(tl9:l)r @?P(VCU9:1UFrequencycurrectneniiurl<:TL￡i71龍：DhTILparellelcuiTectrietujorb:4F：431DDKP.flR.^...1ETEF：S:l_□BREAKyD113LIV—;-l9kR10H4H圖4PWM調(diào)制型開關(guān)電源PSPICE分析原理圖B.PWM分析仿真電路原理圖如圖4所示。目前廣泛采用的固定頻率PWM調(diào)制型開關(guān)電源，實際就是利用PWM調(diào)制器及一個壓控開關(guān)取代圖2中的壓控電壓源，用來模擬開關(guān)電源的功率變換部分。PWM調(diào)制器的增益等于壓控電壓源的增益，圖3中的增益曲線也就適用于開關(guān)型的電源(圖4)。為同時獲得電源對直流母源V9的紋波抑制能力的仿真，在直流源上增加了紋波電源V12。放大器U13是純比例放大器，調(diào)節(jié)它的反饋電阻R43的大小，即可調(diào)節(jié)整個電源開環(huán)增益的大小，改變系統(tǒng)的相位裕量，從而調(diào)節(jié)系統(tǒng)的跟蹤性能。圖5是R43分別取100K,200K,2000K時的瞬態(tài)響應(yīng)仿真曲線。-I(R17)是輸出的負(fù)載電流曲線，I(R17)/100+V(R9:1)是輸出電流對輸入斜坡的跟蹤誤差曲線，從圖上可明顯看出，隨著增益的加大，跟蹤誤差成比例的下降，調(diào)節(jié)時間也隨之縮短。對紋波的抑制能力是隨著增益的加大而成比例增強。如果按誤差要求小于0.1%，則當(dāng)R43=2000K時，可用時間百分比D=1；當(dāng)R43=200K時，可用時間百分比D=0.78；當(dāng)R43=100K

時，可用時間百分比D=0。圖6是電路具有同樣的回路增益，調(diào)節(jié)斬波器的供電電源V9分別為500V,550V,600V得到的瞬態(tài)響應(yīng)仿真曲線?？梢钥吹?，起始段由于輸出電壓低、回路具有相同的增益，因此都可以實現(xiàn)良好的跟蹤。電流上升結(jié)束時，負(fù)載電阻兩端電壓為Ul=500X0.73=365V,負(fù)載電感兩端的感d _3 500U2=L=72x10x 宀=80V應(yīng)電壓d 450x10_3 ，所以斬波器要保持較好的跟蹤，供電電源電壓不能低于U=U1+U2=445V,考慮到電源的紋波因素，在圖6中可以看到供電電源V9在500V時電流上升到390ms時，輸出電流的跟蹤性能明顯變差，550V時好轉(zhuǎn)，600V時已經(jīng)能夠全程很好跟蹤了。圖6供電電源圖6供電電源V9變化仿真曲線表一、反饋電阻于跟蹤性能的關(guān)系R43相位裕量（度）跟蹤誤差（注1）可用時間可用時間百分比D（注2）100K8712mV00200K866mV351mS0.782000K430.6mV450mS1注1：跟蹤誤差是指：輸出電流對電流給定信號的跟蹤誤差，它們的換算關(guān)系是：負(fù)載電流/100+電流給定。反饋電流傳感器變比是：100A/1V。注2：可用時間百分比。=好于0.1%跟蹤精度所占用時間/斜坡上升時間對比圖5，圖6可知：1）采用三相全波整流+單閉環(huán)反饋斬波型開關(guān)電源結(jié)構(gòu)可以滿足上升時間為450ms、跟蹤精度為0.1%的要求；2）可以通過降低增益來增加系統(tǒng)的相位裕量，它的代價是犧牲了系統(tǒng)的紋波抑制能力、跟蹤精度和跟蹤速度，這二者是一對矛盾，只能