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车载移相全桥DC-DC变换器的设计与仿真

何德威;石春;吴刚

【摘要】采用数字控制方式的移相全桥DC-DC变换器具有控制回路结构简单、

抗干扰能力强等优点.以车载移相全桥DC-DC变换器为控制对象,在分析其拓扑结

构并得到二阶数学模型的基础上,通过频域分析系统的稳定性,并设计数字PID控制

器,构成闭环系统.采用Saber-Sirnulink联合仿真的方式指导参数调节,在兼顾仿真

系统收敛性的基础上加快仿真速度,缩短PID参数的调整过程;在考虑车载电源对快

速性、超调量的要求下,得到满足要求的控制器参数.通过样机试验验证了分析的正

确性.

【期刊名称】《自动化与仪表》

【年(卷),期】2019(034)004

【总页数】5页(P75-79)

【关键词】数字控制;移相全桥;车载;PID控制;联合仿真;Saber;Simulink

【作者】何德威;石春;吴刚

【作者单位】中国科学技术大学信息科学技术学院,合肥230026;中国科学技术大

学信息科学技术学院,合肥230026;中国科学技术大学信息科学技术学院,合肥

230026

【正文语种】中文

【中图分类】TM46;U463.6

近年来，由于环境污染、化石能源短缺等问题日益突出，以电动汽车为代表的新能

源汽车受到了人们的关注，且发展迅速，对电动汽车车载电力电子设备的研究也方

兴未艾。针对电动汽车车载高低压直流变换器（DC-DC）的研究则是车载电力电

子技术的重点，考虑到电动汽车越来越严苛的能耗要求、车载情况下复杂的电磁

环境以及逐渐增加的电附件，对电动汽车车载DC-DC变换器在效率、抗干扰、大

功率等方面提出了越来越高的标准。

移相全桥PSFB（phase-shiftfullbridge）拓扑，采用外加电感与开关管寄生电

容（或并联电容）谐振的方式实现软开关技术，在高频应用时相比全桥拓扑能极大

地提高效率，同时能够适用于大功率的应用场合。而传统PSFB变换器的控制器

往往采用模拟IC芯片搭配分立元器件来实现功能，相比之下，数字控制系统具有

控制回路简洁、抗干扰能力强的优点，并且数字控制芯片兼有实时通讯等接口，

能够满足车载环境下实时监控与通讯等需求。

Saber软件在器件仿真方面具有拟合程度高、收敛性能好、仿真速度快等优点；

MatLab/Simulink则可提供算法设计方面的支持，能够以C/C++语言实现S函

数，满足对软件层面的模拟。通过Saber中提供的Saber-Simulink联合仿真机

制，在两者间通过设置合适的采样步长，便可实现两者的联合仿真[1]，从而优势

互补。

综上，在此以数字控制的移相全桥DC-DC变换器为研究的对象，在分析其结构原

理得到二阶传递函数数学模型的基础上，进行频域分析与数字PID控制器设计。

1移相全桥结构的分析与建模

PSFB拓扑结构如图1所示。图中，变压器原边二极管D1—D4为开关管Q1—

Q4内部并联的体二极管；C1—C4为开关管Q1—Q4寄生电容或外接电容；Lr

为谐振电感，包括主变压器自身漏感；变压器副边DR1和DR2为整流二极管；

Lleak1和Lleak2为变压器副边等效漏感；Lf为输出滤波电感；Co为滤波电容；

Ro为输出负载。

图1移相全桥结构Fig.1PSFBstructure

其中，Q1，Q2组成超前桥臂；Q3，Q4组成滞后桥臂。同一桥臂上下开关管驱

动波形为180°互补导通（忽略死区时间），超前臂（Q1，Q2）驱动波形超前滞

后臂（Q3，Q4）若干角度即占空比（移相角）D，调整D可以改变变压器原边输

入方波u1的宽度，如图2所示。方波u1经过变压器降压、全波整流、LC滤波

后得到直流输出。

图2变压器原边输入波形Fig.2Inputwaveformoftransformerprimaryside

在忽略原边谐振电感的影响，将开关管与变压器理想化的情况下，根据图2，变压

器原边输入电压u1为受占空比D控制的方波，如图3（a）所示；输入方波u1

再经过变压器降压、整流后接入LC滤波器，如图3（b）所示；此