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摘要 ：设计了一种基于反激变换器拓扑的多路输出供电电源， 提出了基于高性能固定频率电流模式控制器 UC3845 芯片的车载逆变 器供电的多路输出反激变换器的设计方案， 对电路系统中的关键元器件—磁性元器件参数与环路参数进行了设计 。针对传统车载 电源开发过程中成本高 、测试项多 、开发周期长等问题， 通过 PSIM2021A 仿真软件对所设计的供电电源的各项性能进行了仿真测 试， 获得了目标系统中的关键性能参数， 仿真结果表明所提出的设计方法达到了预期的性能要求， 证明了设计理论的正确性。
Design and Simulation of Multi-output Power Supply for New Energy Vehicle In- vehicle Inverter Based on PSIM
Wang Yi1. Bao Xiping1. Liu Haibin2. Liu Sanjun3
( 1.Xuzhou Industrial Vocational and Technical College, Xuzhou, Jiangsu 221005. China; 2. Suzhou Huaxing Yuanchuang Technology Co.,Ltd., Suzhou, Jiangsu 215000. China; 3. Xuzhou Lichi Electronic Technology Co., Ltd., Xuzhou, Jiangsu 221000. China)
Abstract: A multi-output power supply based on flyback converter topology was designed . A design scheme for a multi output flyback converter powered by a vehicular inverter based on a high-performance fixed frequency current mode controller UC3845 chip was proposed. The key parameters in the circuit system were designed including magnetic component and loop component . Aiming at the problems of high cost, multiple test items, and long development cycle in the development process of traditional vehicle power supplies , simulation tests were conducted on the various performances of the designed power supply using PSIM2021A simulation software, the key performance parameters in the target system were acquired. The simulation results show that the design method proposed meets the expected performance requirements , and proves the correctness of the design theory.
Key words: fly back convert; loop design; design of parameters; PSIM
0 引言
随着新能源汽车产业的发展， 普通汽车中的视频播 放器， 蓝牙导航等常用电子设备已经在新能源汽车中成 为标配， 上述电子设备常需 220 V/50 Hz 交流源而工作。 但车内车载蓄电池往往只输出直流源， 因此车内需要一 个车载逆变器， 用以将直流电源逆变为所需的交流电 源 [ 1-2] 。车载逆变器将来自车载高压 ( HV ) 电池的直流 电转换为交流电， 以驱动电动汽车的主电机 。此外， 车 载逆变器还具有升压 、开关保护和再生制动等功能 。所 有这些功能都需要电流隔离来将控制系统与高压域分开。 新能源电动汽车 ( EV ) 和混合动力电动汽车 ( HEV ) 需 要车载逆变器将来自高压电池或直流链路总线的直流能 量转换为用于驱动牵引电机的三相交流能量 。车载逆变 器通常能够传输 20 ~ 100 kW 范围内的功率， 开关电压范 围为 200~800 V， 电流为数百安培。
反激式开关电源是指使用反激高频变压器隔离输入输出回路的开关电激， 变压器不仅起到变换电压传输能 量的作用， 同时还起到储能电感的作用， 反激式变压器 类似于电感的设计 。 电路比较简单， 易控制， 反激式 在 20~ 100 W 的小功率方面与多路输出的场合应用非常 广泛。
反激式辅助电源作为新能源汽车车载逆变器系统的 一部分， 新能源汽车对车载逆变器供电电源的性能特别 是动态与静态性能， 开关损耗及效率， 电源系统的稳定 性要求越来越高。
多路输出的反激供电电源的输入电源取电于 BUS 总线， 电压范围为 350~900 V， 正常工作电压 600 V， 供电 需 求 为 +12 V/2 A， - 12 V/0.5 A 以 及 风 扇 供 电 电 源 12 V/2 A; 设计效率 η=0.85 。为开关频率设计为 100 kHz; 电源芯片选用 UC3845;
本文对车载逆变器的多路输出的反激变换器进行细 致地分析并给出了详细的设计步骤， 传统设计反激电源的过程中， 需要先制作硬件来验证所设计电源的性能， 由于车载逆变器电源输出路数较多， 输出规格相差较大， 加大了逆变器供电电源验证的难度， 手工处理重复的时 间和成本变得令人难以承受 。为了确保电路设计的成功， 消除潜在的危险的设计缺陷， 提高电源的设计效率， 在 设计流程中加入仿真步骤[3-8]。
与其他常用的电源系统仿真软件相比， PSIM是目前 工业界最快的电力电子仿真专用软件， 具有在短时间内 仿真大型复杂的功率变换器和控制系统的能力 。除此之 外， PSIM 的仿真引擎非常稳定， 不会出现其他仿真软件 如 Saber、Simetrix所遇到的收敛问题 。PSIM将 SPIM 引擎 和 SPICE引擎集成在同一环境中， 同时具备 SPICE级别仿 真功能， 如可以精确地仿真功率开关的瞬变等复杂情况。
故此本文基于 PSIM2021A 软件搭建了新能源汽车逆 变器多路输出供电电源仿真模型， 验证本文设计逆变器 供电电源流程的合理性， 并对仿真结果进行详细地解释 说明。
1 振荡电路设计
对于 UC384X芯片系列， 其振荡频率计算公式如式 1 所示：
UC3844/45 的输出频率是其振荡频率的一半， 芯片的 输出占空比最大为 50%。其中要求： RT>5 kΩ， CT>1 nF; 频率选择100 kHz， RT=7.15 kΩ， CT=1.2 nF。
2 变压器的设计
2.1 确定最大占空比
本次设计的输出属于低压大电流， 使用 CCM 方式， 对 CCM 模式反激变换器而言， 输入到输出的电压增益仅 仅由占空比决定 。MOS 管关断时， 输入电压 Vin 与次级 反射电压 Vo 共同叠加在 MOS DS 两端， 最大占空比 Dmax[9] 确定后， 反射电压 Vor， 次级整流二极管承受的最大电 压 VD 以及 MOS管承受的最大电压 Vdsmax， 可由下式得到：
2.2 确定变压器初级电感Lm
对于 CCM模式反激电路， 当输入电压变化时， 变换 器可能从 CCM 模式过渡到 DCM 模式， 在最恶劣条件下(最低输入电压， 满载) 设计变压器初级电感 Lm[10] 。由下 式决定：
其中 KRF 为电流纹波系数， 一般取 0.4~0.8. 本次设 计中取 0.5.代入数据可得 Lm=3.3 mH。
流过开关管的电流峰值和均方根值随之确定：
代入数据求得： Ipk=0.665 A。
2.3 确定初次级匝数
初级线圈匝数 NP 由下式决定：
CCM模式工作时， ΔB=0.15 T， 代入数据求得： NP = 100
主反馈回路绕组匝数为：
为了计算方便， 取 Ns1= Ns2= Ns3=6.
电源芯片辅助供电 15 V， 辅助绕组 Na计算如下：
取 Na=8. 选择 EE30磁芯。
2.4 参数校正
设计完成变压器后， 修正一些参数。
输入电流的纹波系数为：
3 补偿电路设计
反激电源的传递函数用如下公式表示[11-12]：
3.1 直流开环放大倍数
直流开环放大倍数 G0 为：
其中 Rout 为等效输出电阻， Nps 为原副边匝比， Rcs 为 原边电流采样电阻， 取 Rcs=1 Ω。
Acs 为 UC3845 为内部电流增益倍数查数据手册可知Acs=3. D 为占空比， τL 由以下公式决定：
代入数据求得 G0=10.7.
3.2 零点计算
对于左半平面零点， 计算如下：
3.3 极点计算
对于传递函数极点， 由下列公式求得：
本次设计中， 因为占空比小于 0.5. 故可以不进行斜 坡补偿， 则 Mc=1.
在 MATHCAD 软件中绘制开环传递函数伯德图， 如 图 1所示 。可计算出穿越频率为 1.196 kHz， 相位裕度为 98 ° 。相位裕度满足要求， 但穿越频率过低， 系统快速 性不能够满足要求， 需要进行系统的校正。
3.4 GTL431 (s) 补偿与光耦传递函数计算
为了提高系统的静态增益[13]， 需要在原点产生一个 极点， 使用最简单的补偿方法， 使用单零单极进行补偿， 如图 1所示。
根据图 2所示， GTL431传递函数为：
为了使电源系统获得良好的瞬动态响应， 系统带宽fBW应当尽量大，fBW 限定为右半平面零点的f1/4.
为了得到好的相位裕度， 补偿器的零点fCOMPZ设定为 1/10 的带宽。
对于电源系统的输出电压采样电路， 采样电流值取 1 mA。则电阻 RFBU 与 RFBB 为：
其中 2.495 V为 TL431 的参考电压。
光耦电流传输比 CTR=0.7. 光耦传递函数 Gopto ( s )为：
其中 RLED=1 kΩ， ROPTO=1 kΩ。
3.5 UC3845 补偿函数计算
图 2 中的芯片的 COM 端经补偿 电 路 连 接 至 UC3845 的 COMP端， 如图 3所示。
对于 UC3845 COMP端补偿参数[14]， UC3842 COMP 端传递函数GEA ( s )为：
RCOMPp=10 kΩ， RFBG=4.99 kΩ 。为了抵消开环传递函 数中的左半平面零点 。则 CCOMPp 为：
校正后的传递函数 Gclosed ( s )为：
在 MATHCAD 软件中绘制校正后的开环传递函数伯 德图， 如图 4所示。
可计算出穿越频率为 3 kHz， 相位裕度为 45 ° 。满足 电源系统快速性与稳定性的要求。
4 仿真及结果分析
为了验证上述理论分析和设计方法， 在 PSIM2021A 仿真软件中搭建了基于 UC3845 的新能源汽车车载逆变 器供电反激电源实验平台[15]， 如图 5所示。
4.1 电源静态带载仿真
根据电源系统负载的需求， 12 V2 A、-12 V0.5 A、 风扇电源+12 V2 A， 分别给输出接 6 Ω 、24 Ω 、6 Ω 负 载， 输出波形如图 6所示， 从波形上看该仿真参数在静 态满载负载的条件下很够很好地输出+12 V， -12 V 以及 风扇电源+12 V， 波形稳定。
4.2 电源动态带载仿真
为了测试逆变器供电电源的动态带载与快速收敛能力， 可以通过 PSIM 内部的开关模型外接一个负载， 进 行切换载测试， 测试环境如图 5 所示， 在 0. 1 s 时闭合开 关， 接入 12 Ω 电阻， 通过外部的突加载装置， 继续观察 的电源+12 V 输出的特性， 如图 7 所示， 从仿真波形上看， 0. 1 s 时， 负载电流变大， + 12 V 输出电压动态性能 很好， 未出现振荡不稳定情况。
4.3 效率及热仿真
设计人员需要在设计前期就确定所选功率主开关在 工作过程中所承受的最大电压和损耗， 包括开关损耗和 导通损耗， 以确定选取的开关耐压余量是否充足， 同时 考虑是否需要额外添加散热器辅助散热， 考虑到电源最高电压输入下承受的管压降最大， 在最低输入电压时候 满载损耗最大， 因此在电源最高输入和最低满载情况下， 对功率开关的耐压以及损耗进行了仿真 。分析结果如图 8~9 所示 。从仿真结果看， 主开关选用耐压等级 1 500 V 的开关管， 最大输入电压 900 V 输入时， 最大承受电压 为 1 249 V， 开关管还有 250 V 左右的余量， 满足耐压需 求， MOS 平均损耗为 4.9 W， 由于电源模块是不带风扇 辅助散热的， 需要额外给 MOS 管增加散热器辅助散热;
4.4 电源环路扫描仿真
为了验证所设计多路输出电源的稳定性能如何， 使 用 PSIM 软件的环路扫描分析功能， 设定扫描频率范围 为 10 Hz~5 kHz， 扫描点数为 500 。环路扫描电路如下 图 10 所示。
环路扫描伯德图结果如图 11 所示， 从结果可以看出， 穿越频率约为 2.93 kHz， 相位裕度约为 48 °， 与理论 设计的穿越频率 3 kHz， 相位裕度约为 45 °基本一致， 验 证了环路设计的正确性。
6 结束语
本文首先给出基于高性能固定频率电流模式控制器 UC3845 芯片的多路输出反激电源的关键磁性元器件-变 压器与环路补偿电路的设计过程。
针对传统车载电源存在硬件成本高， 性能测试多， 开发进度慢等问题， 在专业电力电子仿真软件 PSIM 环 境中建立了电源系统的虚拟样机模型， 并针对设计人员 关注的电源系统核心性能进行仿真分析与测试验证 。帮 助设计人员解决了所关注的重点技术问题， 验证了目标系统中的关键性能参数 。有效帮助设计人员在设计初期 没有实际硬件电路的情况下， 就可以完成车载电源系统 的精确设计与性能验证测试， 避免了可能出现的设计缺 陷造成的损失， 同时可以得到大量精确的设计数据， 加 快了开发周期， 降低了电源系统的开发与测试成本， 为 新能源汽车电源系统的开发与设计提供了新的思路。
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