《電子技術(shù)應(yīng)用》
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電流型雙脈沖跨周期調(diào)制Buck變換器研究
2017年電子技術(shù)應(yīng)用第12期
馮 霏 1,吳訪升1,,陳鑒富2,,王為善2
1.常州工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院,,江蘇 常州213000,;2.江蘇理工學(xué)院,,江蘇 常州213000
摘要: 提出一種斷續(xù)導(dǎo)電模式(Discontinuous Conduction Mode,,DCM)Buck變換器的電流型雙脈沖跨周期調(diào)制(Dual Pulse Skipping Modulation,,DPSM)技術(shù),。與電壓型DPSM技術(shù)比較,,電流型DPSM技術(shù)采用雙環(huán)控制技術(shù),檢測(cè)電感電流以產(chǎn)生具有不同占空比的控制脈沖,,克服電壓型DPSM開關(guān)DC-DC變換器無法檢測(cè)電感電流的問題,,有效防止啟動(dòng)過程中電感電流過沖現(xiàn)象發(fā)生。以DCM Buck變換器為例說明電流型DPSM技術(shù)的原理和輸出電壓紋波與脈沖組合之間的關(guān)系,。運(yùn)用動(dòng)力學(xué)分析方法建立電流型DPSM DCM Buck變換器的離散時(shí)間模型,,得出高功率脈沖,、低功率脈沖以及跨周期脈沖的組合規(guī)律。最后,,給出仿真和實(shí)驗(yàn)結(jié)果,,表明有著良好瞬態(tài)性能的電流型DPSM Buck變換器低輸出電壓紋波與較寬的負(fù)載可調(diào)范圍等優(yōu)點(diǎn)。
中圖分類號(hào): TM85
文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼: A
DOI:10.16157/j.issn.0258-7998.170926
中文引用格式: 馮霏,,吳訪升,,陳鑒富,等. 電流型雙脈沖跨周期調(diào)制Buck變換器研究[J].電子技術(shù)應(yīng)用,,2017,,43(12):130-132,136.
英文引用格式: Feng Fei,,Wu Fangsheng,,Chen Jianfu,et al. Investigation of current-mode dual pulse skipping modulation buck converter[J].Application of Electronic Technique,,2017,,43(12):130-132,136.
Investigation of current-mode dual pulse skipping modulation buck converter
Feng Fei1,,Wu Fangsheng1,,Chen Jianfu2,Wang Weishan2
1.Changzhou Vocational Institute of Engineering,,Changzhou 213000,,China; 2.Jiangsu University of Technology,,Changzhou 213000,,China
Abstract: Current-mode dual pulse skipping modulation(DPSM) technique for buck converter operating in discontinuous conduction mode(DCM) is proposed. Comparing with the voltage-mode DPSM technique, the current-mode DPSM technique adopts double closed-loops control technique and the inductor current is detected to generate control pulses with different duty ratios, which overcomes the question that the inductor current in voltage-mode DPSM switching dc-dc converter can not be detected, effectively preventing the overshoot phenomenon of the inductor current to happen in the process of start-up. Buck converter operating in DCM is taken as an example to explain the principle of the current-mode DPSM technique and the relationships between the pulse combination and the output voltage ripple. By using the dynamical analysis method, the discrete time model of current-mode DPSM DCM buck converter is established, and the combination laws of high power control pulse, low power control pulse and skipped control pulse are concluded. Finally, the results by simulations and experiments are presented to indicate that current-mode DPSM buck converter, with favorable transient performance, has much lower output voltage ripple, much wider load adjustable range and so on.
Key words : buck converter;current mode dual pulse skipping modulation(DPSM),;discontinuous conduction mode(DCM),;pulse combination

0 引言

    傳統(tǒng)的開關(guān)DC-DC變換器一般采用脈沖寬度調(diào)制 (Pulse Width Modulation,PWM)技術(shù)實(shí)現(xiàn)對(duì)開關(guān)DC-DC變換器的閉環(huán)控制[1,,2],。PWM作為一種線性定頻變脈寬調(diào)制技術(shù),通過采用調(diào)整控制脈沖的占空比技術(shù)實(shí)現(xiàn)對(duì)開關(guān)變換器輸出電壓的控制,。目前,,PWM調(diào)制技術(shù)發(fā)展相對(duì)成熟,在電力電子工業(yè)界得到了廣泛應(yīng)用[3],。隨著對(duì)電源系統(tǒng)性能的要求不斷提高,,以線性理論為基礎(chǔ)的PWM調(diào)制技術(shù)在魯棒性、瞬態(tài)響應(yīng)等方面始終難以令人滿意[4],。非線性控制方法的引入有效地改善了系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性,,解決了上述線性控制技術(shù)中存在的問題,,此控制技術(shù)已得到國內(nèi)外研究人員的關(guān)注[5,6],。

    脈沖跨周期調(diào)制(Pulse Skipping Modulation,,PSM)技術(shù)作為一種非線性控制技術(shù),它自提出以來在工業(yè)界得到了廣泛應(yīng)用[7],。相比PWM技術(shù),,PSM技術(shù)具有電路設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單,瞬態(tài)響應(yīng)速度快以及輕載時(shí)工作效率高等優(yōu)點(diǎn)[8-10],。文獻(xiàn)[11]提出了DPSM技術(shù),,這種技術(shù)結(jié)合了PSM技術(shù)和脈沖序列(Pulse Train,PT)技術(shù),。其工作原理是根據(jù)開關(guān)電源輸出電壓與基準(zhǔn)電壓的關(guān)系來確定脈沖序列控制器對(duì)功率脈沖的選擇,,最終保證輸出電壓達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)。然而,,文獻(xiàn)中提出的電壓型DPSM Buck變換器為單一電壓環(huán)控制,,該技術(shù)在電路啟動(dòng)時(shí)易產(chǎn)生電流過沖現(xiàn)象,必須加入軟啟動(dòng)電路和過流保護(hù)電路對(duì)電路進(jìn)行保護(hù),,因而增加了電路設(shè)計(jì)的復(fù)雜度,。針對(duì)上述問題,本文提出了一種電流型DPSM技術(shù),,該技術(shù)成功地消除了電路啟動(dòng)時(shí)的電流過沖現(xiàn)象,,同時(shí)還保持了電壓型DPSM技術(shù)所有的優(yōu)點(diǎn)。

    電流型DPSM技術(shù)是一種具有獨(dú)特控制方式的簡(jiǎn)單的開關(guān)DC-DC變換器控制方法,,目前還未見相關(guān)的理論分析以及動(dòng)力學(xué)建模的研究報(bào)道,。本文主要以Buck變換器為例,首先闡述電流型DPSM技術(shù)的基本工作原理,,推導(dǎo)輸出電壓變化量與負(fù)載電阻之間的關(guān)系,;其次對(duì)工作于DCM的DPSM Buck變換器進(jìn)行動(dòng)力學(xué)建模與以負(fù)載電阻為變量的分岔分析,;最后通過PSIM仿真結(jié)果分析和實(shí)驗(yàn)電路制作驗(yàn)證電流型DPSM技術(shù)理論分析的正確性,。

1 動(dòng)力學(xué)建模與脈沖組合規(guī)律

1.1 Buck變換器的動(dòng)力學(xué)分析

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    假設(shè)in和vn、in+1和vn+1分別是電感電流i(t)和輸出電容電壓即輸出電壓v(t)在時(shí)鐘nT,、(n+1)T時(shí)刻的采樣值,。根據(jù)一個(gè)開關(guān)周期內(nèi)三種不同的電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu),可得到不同狀態(tài)時(shí)的時(shí)域解,。

    開關(guān)狀態(tài)I:開關(guān)管S導(dǎo)通,,續(xù)流二極管D關(guān)斷。電路狀態(tài)方程表示為Ldi/dt=-v+E,、Cdv/dt=i-v/R,,時(shí)域解為:

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    式(8)所描述的離散時(shí)間映射模型是二維離散動(dòng)力學(xué)系統(tǒng)模型,。由于電流型DPSM DCM Buck變換器在每個(gè)開關(guān)周期初始和結(jié)束時(shí)刻恒為零,因此式(8)所描述的模型可以降為一維離散時(shí)間映射模型,,即有:

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    將電感電流IH,、IL代入式(9)中,可得到:

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1.2 脈沖組合分析

    由式(10)可對(duì)電流型DPSM DCM Buck變換器輸出電壓的分岔行為進(jìn)行分析,。選擇負(fù)載電阻R為分岔參數(shù),,變化范圍為8.5 Ω~70 Ω,結(jié)果如圖2(a)所示,。

    當(dāng)R=RH時(shí),,變換器的運(yùn)行軌跡與邊界V2發(fā)生第一次邊界碰撞分岔,控制器發(fā)出的脈沖序列由單個(gè)PH脈沖組合變?yōu)镻H和PL脈沖組合,;隨著負(fù)載電阻增大,,當(dāng)R=RHL時(shí),變換器的多周期軌斷與邊界V2發(fā)生碰撞分岔,,同時(shí)與邊界V1發(fā)生第一次碰撞分岔,,變換器的運(yùn)行軌跡出現(xiàn)了三種功率脈沖同時(shí)出現(xiàn)的現(xiàn)象,控制器發(fā)出的脈沖序列為PH,、PL和P0脈沖組合,;隨著負(fù)載電阻R進(jìn)一步增大,當(dāng)R=RL時(shí),,變換器的多周期軌道與邊界V1發(fā)生最后一次碰撞分岔,,同時(shí)與邊界V2發(fā)生碰撞分岔,控制器發(fā)出的脈沖序列變成為PL和P0脈沖組合,。為了清楚地觀察分岔現(xiàn)象和脈沖組合方式,,圖2(b)給出了R=15.56 Ω附近的局部分岔圖。

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    圖2(a)中,,分別以V1,、V2為邊界,邊界V2以下的離散點(diǎn)代表功率脈沖PH作用下輸出電壓的運(yùn)行軌跡,,對(duì)于介于邊界V1,、V2之間的離散點(diǎn)代表PL作用下輸出電壓的運(yùn)行軌跡,邊界V1以上的離散點(diǎn)代表P0作用下輸出電壓的運(yùn)行軌跡,。當(dāng)R<RH時(shí),,負(fù)載較重,電流型DPSM Buck變換器只選擇PH,,變換器工作于周期1態(tài),;當(dāng)RH<R<RHL時(shí),存在μH個(gè)PH和μL個(gè)PL的離散點(diǎn)組合,,則變換器工作于多周期μHL態(tài),;當(dāng)RHL<R<RL時(shí),,則由μH個(gè)PH、μL個(gè)PL和μ0個(gè)P0的離散點(diǎn)組成,,變換器工作于多周期μHL0態(tài),;當(dāng)RL<R時(shí),由μL個(gè)PL和μ0個(gè)P0的離散點(diǎn)組成,,變換器工作于多周期μL0態(tài),。圖2(b)中,R=15.56 Ω時(shí),,RHL<R<RL,,變換器電路的序列脈沖由PH、PL和P0組成,,此時(shí)變換器工作在周期4態(tài),,其組合方式為2PH-1PL-1P0。由此可見,,電流型DPSM Buck變換器是一種特殊的離散型動(dòng)力學(xué)系統(tǒng),。

2 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

    為驗(yàn)證電流型DPSM控制器的可行性,利用它控制的Buck變換器進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證,,對(duì)其進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證,。

    利用PSIM仿真軟件搭建電路模型,并且對(duì)電流型DPSM DCM Buck變換器進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究,。圖3所示為電流型DPSM DCM Buck變換器在[10,,70]區(qū)間內(nèi)分別取R為11.7 Ω、22.2 Ω和43 Ω時(shí)v,、i和VGS的時(shí)域波形,。圖3(a)中R=11.7 Ω,控制器輸出的脈沖序列組合為2PH-1PL,;圖3(b)中R=22.2 Ω,,脈沖序列組合為1PH-2PL-1P0;圖3(c)中R=43 Ω,,脈沖序列組合為2PL-1P0,。

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    圖3中電感電流均處于DCM。圖3(a)的輸出電壓紋波約為70 mV; 圖3(b)的輸出電壓紋波約為60 mV,;圖3(c)的輸出電壓紋波約為35 mV,。實(shí)驗(yàn)結(jié)果與用PSIM仿真軟件搭建的電路仿真結(jié)果基本一致,。

3 結(jié)論

    本文提出了電流型DPSM控制技術(shù),,根據(jù)其工作原理,對(duì)其進(jìn)行動(dòng)力學(xué)建模,,得出了輸出電壓變化量與負(fù)載電阻之間的關(guān)系,。采用PSIM電路仿真和實(shí)驗(yàn)電路觀察,,證明了理論分析的準(zhǔn)確性以及可行性。

    電流型DPSM DCM Buck變換器的一個(gè)功率脈沖循環(huán)周期是由高,、低功率脈沖及跨周期脈沖的數(shù)量及其組合方式?jīng)Q定的,。分析得知,當(dāng)R<RHL時(shí),,控制器為PT控制方式,;當(dāng)RHL<R<RL時(shí),控制器轉(zhuǎn)變?yōu)镈PSM控制方式,。隨著負(fù)載電阻不斷增大,,控制脈沖組合中PH的比例逐漸變小,PL和P0的比例逐漸變大,;當(dāng)R>RL時(shí),,PH消失,控制器轉(zhuǎn)變?yōu)镻SM控制方式,。電流型DPSM技術(shù)能夠隨著負(fù)載電阻的不同選擇不同的控制技術(shù),,使得變換器的響應(yīng)速度更快,工作效率更高,。

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作者信息:

馮  霏 1,吳訪升1,,陳鑒富2,,王為善2

(1.常州工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院,江蘇 常州213000,;2.江蘇理工學(xué)院,,江蘇 常州213000)

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