移相全桥拓扑结构DC/DC仿真模型在飞机系统中的应用

移相全桥拓扑结构DC/DC仿真模型在飞机系统中的应用

廉佳

海军装备部 陕西省西安市 710054

摘要：本文基于MATLAB/Simulink平台构建了移相全桥DC/DC变换器的详细仿真模型，分析了移相角、占空比、负载变化等关键参数对变换器输出电压、电流波形、转换效率及动态响应特性的影响，通过优化控制算法和参数配置，实现了变换器性能的最优化。同时，还针对飞机系统特有的电磁环境，评估了变换器的电磁兼容性能，提出了相应的抑制措施。

关键词：DC/DC变换器、仿真模型、移相全桥拓扑结构

1.引言

近年来，DC/DC在飞机中得到更加广泛的应用，如DC/DC电路在飞机电源管理系统中发挥着核心作用，负责将主电源转换为各系统所需的电压，并进行功率分配和故障保护。这有助于确保飞机电源系统的稳定性和可靠性。飞机上的航电设备，如雷达、通信导航设备、飞行控制计算机等，对电源的要求极高。DC/DC电路为这些设备提供稳定、可靠的电源供应，确保它们能够正常工作，从而保障飞机的飞行安全和性能。在飞机主电源出现故障时，应急电源系统需要迅速接管供电任务。DC/DC电路在应急电源系统中同样发挥着重要作用，它能够将备用电源（如蓄电池）的电压转换为各系统所需的电压等级，确保飞机在紧急情况下能够继续供电。

现阶段DC/DC变换器的常用电路拓扑结构主要包括Buck变换器、Boost变换器、Buck-Boost变换器、CUK变换器、Zeta变换器、SEPIC（Single-Ended Primary-Inductor Converter）变换器，此外，还有半桥变换器、全桥变换器等双端变换器，它们通常用于高电压、大功率的场合。这些变换器通过多个开关管和电感、电容的组合，实现电压的变换和能量的传递。

随着计算机技术的飞速发展和航空领域对系统性能要求的不断提升，DC/DC仿真模型在飞机系统设计与优化中的应用日益广泛且深入。针对飞机系统的高度复杂性和多变性，研究人员纷纷采用先进的仿真技术，以模拟和预测DC/DC在不同工况下的行为表现。在飞机电力系统方面，仿真模型已成为评估和优化DC/DC变换器等关键组件性能的重要工具。特别是针对移相全桥拓扑结构，由于其独特的优势在高效能转换领域展现出巨大潜力，因此成为了当前研究的热点之一。研究人员通过构建精细的仿真模型，不仅能够准确模拟移相全桥DC/DC变换器在飞机电力系统中的工作状态，还能深入分析其动态响应、效率特性以及与其他系统组件的交互影响。

2.移相全桥拓扑结构DC/DC建模

2.1　建模过程

2.1.1　DC/DC模型要求

根据拓扑结构建立数学仿真模型，假设当前DC/DC需要满足以下条件：

a)输入直流电压范围：20V～32V。

b)输出电压精度：14V±0.5V。

c)输出噪声/纹波：Vp-p≤100mV（20MHz BW）。

d)额定功率：200W。

2.1.2　DC/DC模型建模

DC/DC采用移相全桥式拓扑结构进行电路搭建建模。输出14V稳定电压。当直流输入电源进入开关管时，进行逆变，通过高频变压器再经过整流管从而再变为直流电，从而实现DC-DC的变换。IGBT的控制采用PWM方式，将输出电压与指定电压进行比较，实现闭环控制。原边 IGBT 的工作状态可有如下几个状态。1、4导通原边电压为正，2、3导通原边电压为负，1、3或2、4导通，原边短路电压为0。

2.1.3　模型参数

移相全桥DC/DC变换器的参数计算涉及多个方面，包括输入电压、输出电压、输出功率、开关频率等基本参数，以及谐振电感、高频变压器、输出滤波电感、输出滤波电容等关键器件的参数如下：

根据需求可得输入电压(Vin)=28V、输出电压（VOut）=14V、输出功率（POut）=200W，从而计算可得输出电流（IOut）=POut/VOut=100/7A，假设电流纹波Irip=20%，电压纹波Vrip=1%，频率Fsw=250KHz,输出电压与给定电压进行比较，增设PI调节，将比较信号通过PWM控制模块(移相)从而产生PWM信号。

通过上述参数可进行电路中的电感电容参数，具体计算公式如下：

=0.6e^-6

=6e^-3

2.1.4　故障模式

二次电源设置故障模式为过压故障，当故障注入开关输入为1时，产生过压，输入电压输入为50V，引起二次电源过压故障。

2.1.5　模型预览

如图是DC/DC的封装图以及内部子系统模型图。

图1　二次电源系统封装

图2　二次电源系统子系统模型

2.2移相全桥拓扑结构DC/DC模型二次电源系统试验

试验内容：二次电源系统带载试验。

试验步骤：二次电源系统输入端输入20V、28V、32V直流电压，输出端挂接200W负载，观察输出通道的电压。

试验用例：二次电源装置试验用如下图的数学模型进行试验：

图3　二次电源系统试验用例模型

试验数据：见表1，二次电源系统试验数据表。

表1　二次电源系统试验数据表

试验结果：额定功率200W下，在28V与32V电压输入时，负载输出电压满足14V±0.5V，输出噪声/纹波：Vp-p≤100mV（20MHz BW）的要求。

当输入电压为20VDC时，接入200w负载，检测二次电源输出电压电流如下图：

图4　20VDC输入时二次电源系统输出电压电流

当输入电压为28VDC时，接入200w负载，检测二次电源输出电压电流如下图：

图5　28VDC输入时二次电源系统输出电压电流

当输入电压为32VDC时，接入200w负载，检测二次电源输出电压电流如下图：

图6　32VDC输入时二次电源系统输出电压电流

3.工作总结

建立了准确的移相全桥DC/DC变换器模型：通过合理的参数设置和仿真实验验证，成功建立了能够反映实际电路性能的仿真模型，为后续研究提供了有力支持。基于电路仿真软件（Simulink），确定了建模方法和步骤，包括确定电路参数、搭建仿真模型、设置控制策略等。通过仿真实验，观察了变换器在不同工况下的输出电压、电流波形以及开关管的电压、电流应力等关键指标。

参考文献:

[1]蒋云杨,胡以瀚. 移相全桥高效DC/DC变换器研究[M]. 电工技术, 2022.3.10.

[2]汪东东,艾学忠.移相全桥变换器的设计及先进算法的应用研究[J]. 2024.5.20

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