0 引言

    隨著電力電子技術的不斷發展，高壓電源作為特種電源的一種被廣泛應用于電力電網、通信、環境以及航空航天等諸多領域^[1-2]。在電力電纜故障點的快速定位中，高壓電源作為電纜檢測儀的重要組成部分，配合高壓脈沖電容器負責向故障電纜提供一定能量的脈沖激勵信號，由接收機對回波信號進行分析和處理，得出故障點的位置信息。然而，地下電纜的長度、規格型號、耐壓等級在不同的使用環境中需求各異，所以要求檢測設備中高壓電源的輸出電壓應能根據需要調節到適和電纜故障點定位需求的幅值，從而適應電纜的耐壓等級，避免故障電纜二次擊穿現象的發生。

    根據應用需求，本文設計了一種軌到軌可調輸出單級Buck變換器^[3]，通過對全橋變換器直流母線輸入電壓進行前級預調壓，然后經全橋逆變升壓輸出，從而實現高壓電源寬范圍可調輸出，以滿足用戶在不同使用環境下對高壓電源輸出電壓幅值的要求，提高電源的安全性和穩定性，避免電纜檢測中電纜被二次擊穿。

1 Buck變換器統一電路模型

    Buck變換器的電路拓撲結構與統一電路模型^[4-5]如圖1所示，Q為功率開關管，VD為續流二極管，L為濾波電感，C為濾波電容，R為負載電阻，V_g為輸入電壓，V_o為輸出電壓，i_L為電感電流，u為開關管控制信號。

    根據圖1可知Buck變換器輸入至輸出的傳遞函數以及占空比至輸出的傳遞函數分別為：

2 Buck變換器反饋補償控制器設計

    根據式(1)、式(2)可知，Buck變換器的輸出受到占空比D和負載R的影響。因此需要進行閉環反饋補償控制，以提高系統的穩定性和魯棒性。

2.1 Buck變換器技術參數設計

    文中Buck變換器的主要技術參數如下：

    (1)輸入電壓：AC 220 V；輸出電壓：DC 10~300 V連續可調，額定輸出電流20 A，輸出限流30 A；

    (2)PWM控制器占空比調節范圍：3%<D<97%；開關頻率f_s=50 kHz；

    (3)輸出濾波電感L=5.5 mH，輸出濾波電容C=4 000 μF，假定負載為純電阻：R≥15 Ω。

2.2 閉環穩定性分析

    假設G_m(s)為PWM脈寬調制器的傳遞函數，脈寬調制采用鋸齒波調制，幅值范圍為0~V_m；H(s)為電阻R₁和R₂分壓反饋網絡的傳遞函數；G_c(s)為補償網絡的傳遞函數，則具有閉環反饋補償控制的Buck變換器結構框圖如圖2所示。

    其中

    從圖3(a)中G_o(s)的極點分布以及幅相曲線的特點可知該系統是穩定的，但是其相對穩定性較低。

    系統的相對穩定性主要體現在相位裕量和增益裕量兩個方面。從圖3(b)中G_o(s)的幅頻曲線可知G_o(s)低頻增益為8.5 dB的水平線，高頻增益為以-40 dB/dec斜率穿越0 dB線的折線。系統增益交越頻率f_g=49.2 Hz；相位裕量Φ_m=180°+arg(G_o(j2πf_g))=6°；增益裕量A_g<-40 dB。可見G_o(s)的相位裕量和增益裕量均偏小，穩定性差，極端工作條件下系統性能下降，很容易造成系統失效。因此，需要對控制環路加入補償，以提高系統的相對穩定性，增強系統的魯棒性。

2.3 環路補償設計

    環路補償^[6-7]作為控制系統中改善系統靜態和動態特性的重要組成部分，對系統的輸出精度、電壓調整率、頻帶寬度以及暫態響應均會產生影響。合適的補償網絡設計對控制器性能的改善有著重要的促進作用。通常，通過添加補償網絡使閉環控制系統的相位裕量和增益裕量為45°和10 dB左右，以減小系統超調和調節時間，同時提高系統的魯棒性。圖4為采用運算放大器構建的有源超前-滯后補償網絡。

    補償網絡的傳遞函數為：

    圖5為添加補償后系統傳遞函數G(s)的穩定性分析曲線。可以看到補償后系統的穩定性得到了加強。

3 功能電路設計與軟啟動控制

3.1 Buck變換器硬件電路及工作原理

    Buck變換器的設計主要包含PWM控制器外圍電路、電壓、電流雙閉環控制以及環路補償設計。圖6為采用TL494的Buck電路^[8]主控制電路。V_DTC通過DAC輸出控制PWM死區時間，用以實現Buck變換器的啟停調節與軟啟動；I_SENSE為電流反饋信號；LM358、AD822與外部電阻電容構建電壓反饋補償網絡，實現控制回路的反饋補償。

3.2 軟啟動控制

    DC/DC變換器在開機瞬間會產生浪涌電流，需要對電路進行軟啟動^[9]設置。

    本文利用PWM控制芯片TL494存在PWM輸出死區時間控制引腳的優點，通過軟件可編程控制的DAC模塊AD5663輸出軟啟動控制電平，對PWM輸出最大占空比進行限制，以抑制開關管峰值電流的增長速率，即：

4 仿真分析與實驗驗證

    為了對上述Buck變換器設計的理論分析進行驗證，采用Saber軟件仿真與樣機制作進行實驗測試。

4.1 Saber軟件仿真分析

    根據圖6中Buck電路控制器原理圖設計，采用Saber軟件進行仿真分析。依次測試Buck變換器在不同負載條件下的輸出電壓與反饋補償環路輸出電壓的變化情況如圖7所示。圖中U₁為Buck變換器的輸出電壓V_o，U₂為反饋補償環路輸出電壓V_comp波形。

    圖7的仿真結果顯示，改變參考電位V_SET，Buck變換器的輸出電壓V_o隨之線性變化，達到了預期直流調壓的要求。所設計的寬范圍直流調壓電路在輕載、滿載以及負載突變的情況下，其輸出電壓的范圍廣度、穩定性、調節線性度以及負載調整率均達到了設計要求，理論上證實了設計的合理性。

4.2 實驗測試與結果分析

    根據理論與仿真分析的結果，通過研制一臺樣機，對其工作特性進行測試，得到如圖8所示的Buck變換器的輸出電壓與PWM波形。

    圖8中設定Buck變換器參考電位的不同，PWM控制器均能根據反饋控制環路輸出電壓的變化快速實現輸出電壓對設定電壓的跟蹤效果，使得調壓輸出保持穩定。實驗結果表明：根據前述Buck變換器理論模型的建立與Saber軟件模型的仿真與分析結果，設計應用于高壓電源的前級預調壓電路，能夠很好地滿足高壓電源寬范圍連續可調的需求，同時保證了電源輸出的安全性與穩定性。

5 結論

    針對應用于電力電纜故障檢測的可調高壓電源設計，研制了具有軌到軌輸出特性的單級Buck變換器，實現220V市電輸入，10～300 V/20 A連續可調輸出的Buck變換器設計，將其作為全橋變換器前級預調壓，再通過高頻升壓變壓器升壓，有效保證了高壓電源寬范圍連續可調輸出的安全性與穩定性。

    本文詳細闡述了Buck變換器統一電路模型分析以及Buck變換器的控制環路補償分析與設計，采用軟硬件協作的方式實現了Buck變換器在啟動、空載、輕載、重載以及負載突變時的穩定工作。由于輸出電壓調節的廣度，該設計既為可調高壓電源的設計提供了良好的解決方案，同時，也可應用于大部分的低壓直流設備的供電，因此具有廣闊的應用前景。

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作者信息：

湯健強，周鳳星，梅鳴陽

（武漢科技大學 信息科學與工程學院，湖北 武漢430081）