SEPIC电路环路补偿研究

韩冬

【摘 要】SEPIC电路具有效率高、输出升降压、开关停止停振等优点，本文在分析SEPIC电路基本原理的基础上，利用电源环路控制理论，介绍了一种SEPIC转换器环路补偿参数的设计方法，通过实验得出设计的SEPIC电路完全满足性能指标，动态性能良好，验证了理论设计的正确性。

【关键词】SEPIC；环路补偿；环路控制；直流-直流变换器

0 引言

随着能源短缺、环境污染等问题日益严重，电动汽车作为一种安全、经济、清洁的绿色交通工具，在能源、环境方面有其独特的优越性和竞争力，因而具有广阔的发展前景。

电动汽车驱动系统作为唯一的动力装置，由电机和控制器组成。控制器主要由功率模块和控制模块构成。不管是功率模块还是控制模块，其有源器件的电源一般来自直流电源或电池，这就需要广泛使用DC-DC 转换器。在DC-DC转换器中，Buck-Boost，Cuk，SEPIC转换器都能满足升降压的要求。但是经过Buck-Boost和Cuk转换器变换后的输出电压与输入电压的极性是相反的。这个问题一方面虽然能通过在电路中加一个隔离变压器来修正，但是不可避免地会增加转换器的体积和成本；另一方面，由于SEPIC既能够工作在升压和降压模式，又不会有极性相反的问题。对于这样的应用，SEPIC转换器无疑是一种理想的选择。

SEPIC电源转换电路作为一种开关模式的功率转换器，控制方法采用脉宽调制技术（PWM），通过闭环负反馈来改善开环系统的响应，达到期望的电源调整率、负载调整率及动态响应等要求。由于环路设计受到输入电源、输出负载和温度等因素的影响，工作过程中可能产生自激振荡或者寄生振荡，影响整个电源的工作，因此其设计对于SEPIC电源的稳定性起着决定性的作用。在反馈环路控制的设计中， 由于涉及到多种电路原理， 需要大量复杂的数学推导。为简化设计， 可采用波特图的方法完成补偿参数设计。

本文以分块电路介绍环路参数的设计方法，利用波特图，为设计者选择元件参数提供依据， 通过实验调试进行适当调整， 可达到最佳的控制效果。

1 电源环路控制理论

图1为一个典型的SEPIC转换器负反馈闭环调节系统。虽然脉宽调制电路包含误差放大、PWM形成电路外还具备许多辅助功能， 但对于闭环稳定性问题， 仅需考虑误差放大器和PWM电路。对于输出电压Vo缓慢或直流变化，图1的负反馈电路是稳定的。但在环路内， 对于动态变化的情况下，存在低电平噪声电压和含有丰富连续频谱的瞬态电压。这些分量通过输出LC滤波器、误差放大器和Vea到Vy的PWM调节器会引起增益改变和相移。噪声干扰谐波分量中的任意一个分量，其增益和相移发生变化时都可能导致正反馈，并因此引起振荡。因此，SEPIC电源转换电路的环路补偿是非常必要的。

SEPIC转换器是一种四阶的高度非线性系统，具有复杂的频率特性，工作过程中极易产生自激振荡或者寄生振荡。本文根据经典控制理论中的频率稳定判据，利用波特图，判定SEPIC控制系统的稳定性并确定补偿电路的参数。

2 SEPIC电路频率特性

控制环路有两部分组成，第一部分是电源级，由脉冲宽度调制器、输出滤波器、电流感测电路和负载组成。第二部分是误差放大器，这是将运放配置成一个反相放大器组态来实现的。控制环路补偿的一种通用方法是为电源级和误差放大器创建增益和相位的波特图。

SEPIC转换器不含反馈回路时是一种系统，峰值电流模式SEPIC转换器由直流增益、一个负载极点、ESR零点、一个右半平面零点和峰值电感电流的采样产生的一个双重极点组成。电流感测电路被当作一个直流增益，并包含在APS的表达式中。

负载极点会造成低频处增益以-20dB/十倍频程产生滑降。右半平面零点和采样双重极点的结合可维持斜率超出开关频率之外。相位在低频处趋向于-90°，但接着会增加至-180°，并会超出RHP零点和采样双重极点。可以不观察ESR零点的影响，因为其频率一般位于开关频率之上的几个十倍频程处。

采用误差放大器实现补偿，并提供高直流增益（为输出精度）和高相位裕度（为控制环路稳定性）。将误差放大器作为带输入阻抗ZI和反馈阻抗ZF的反相运算放大器，能够推导出补偿模块的传递函数GEA。

4 结论

本文分析了SEPIC电源系统的频率特性，通过串联反馈校正，实现了整个系统的稳定收敛，最后通过测试实验验证了该方法的正确性。

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[责任编辑：王伟平]