基于脈沖序列控制技術(shù)的降壓型開關(guān)電源

侯鑫堯,倪 強

(西南交通大學(xué),四川 成都 610031)

0 引 言

近年來,隨著電力電子技術(shù)和信息技術(shù)迅速發(fā)展,開關(guān)電源成為了電氣工程領(lǐng)域應(yīng)用和研究的熱點。與線性電源相比,開關(guān)電源在效率、功率密度、成本等方面顯示出了明顯的優(yōu)勢,目前已經(jīng)成為主要的DC-DC變換設(shè)備。對開關(guān)電源控制技術(shù)的研究也已成為電力電子技術(shù)領(lǐng)域中最為活躍的部分。

脈沖序列控制(Pulse T rain M,PT)是一種新型定頻、非線性的電源控制技術(shù)。該技術(shù)利用脈沖控制器,根據(jù)開關(guān)電源的工作狀態(tài),按照一定規(guī)律通過高能量脈沖和低能量脈沖組成的脈沖序列對主電路進行控制。與傳統(tǒng)的PWM控制不同,PT控制系統(tǒng)沒有延遲環(huán)節(jié),對變換器輸入端或輸出端出現(xiàn)的擾動具有較快的響應(yīng)速度。

1 PT工作原理及調(diào)制特性

1.1 PT控制的工作原理

PT控制技術(shù)通過在兩級固定占空比的高、低能量脈沖中進行選擇,控制開關(guān)管的導(dǎo)通和關(guān)斷,從而實現(xiàn)對變換器輸出電壓的調(diào)節(jié)。如果輸出電壓Uo低于基準電壓Uref,控制器將連續(xù)產(chǎn)生高能量脈沖PH直到輸出電壓達到基準電壓值,高能量脈沖的占空比為DH;如果輸出電壓Uo高于基準電壓Uref,控制器將連續(xù)產(chǎn)生低能量脈沖PL以降低輸出電壓,低能量脈沖的占空比為DL(DL＜DH)。由于高能量脈沖導(dǎo)通時間比低能量脈沖導(dǎo)通時間長,因此高能量脈沖作用的周期內(nèi)將有更多的能量傳遞至負載端。圖1(a)和圖1(b)分別顯示了PT控制Buck變換器結(jié)構(gòu)圖和PT控制原理示意圖[1,2]。

本文以PT控制技術(shù)應(yīng)用于斷續(xù)導(dǎo)電模式(Discontinuous Conduction Mode,DCM)的Buck變換器為例進行研究。采用斷續(xù)導(dǎo)電模式的優(yōu)勢在于能夠?qū)崿F(xiàn)開關(guān)管的零電流導(dǎo)通和二極管的零電流關(guān)斷。從而減少了開關(guān)損耗和電磁噪聲[3]。高能量脈沖和低能量脈沖的占空比之間的比值k(k=DH/DL)由變換器輸出電壓紋波和功率調(diào)節(jié)范圍折衷確定。

圖1(b)顯示了PT控制開關(guān)變換器的輸出電壓和電感電流波形。由于在MOSFET開關(guān)管導(dǎo)通期間電感電流線性增長,Buck變換器在高能量脈沖周期內(nèi)開關(guān)管電流的平均值為:

則PH控制的一個開關(guān)周期內(nèi)從變換器輸入端獲得的能量為:

式中,T為變換器的開關(guān)周期。

同理,在一個低能量脈沖周期內(nèi)從變換器輸入端獲得的能量為:

由式(1)和(2)可知:低能量脈沖周期內(nèi)變換器傳遞的能量為高能量脈沖周期的1/k2。由于高、低能量脈沖周期相同,故變換器的開關(guān)頻率是固定不變的[4-6]。

圖1 PT控制電路及原理示意圖

1.2 PT控制的實現(xiàn)方式

本節(jié)設(shè)計一種簡單實用的脈沖序列控制器,如圖2所示。圖2中時鐘信號CP(Clock Pulse)由峰峰值為-10 V到+10 V的鋸齒波信號USAW與電壓信號UGND(UGND=0)通過比較器Ccp產(chǎn)生;變換器輸出電壓Uo與基準電壓Uref通過比較器C1產(chǎn)生電壓信號Ue;觸發(fā)器D在時鐘來臨時刻將電壓信號Ue傳遞至輸出端Q,并在下一時鐘來臨之前保持不變;比較器C2將D觸發(fā)器的輸出信號和鋸齒波進行比較產(chǎn)生控制脈沖PH或PL實現(xiàn)對變換器的控制。

上述PT控制器的工作過程為:在開關(guān)周期的起始時刻,時鐘信號CP來臨,若此時Uo＞Uref,則Ue為高電平;時鐘信號同時使觸發(fā)器D觸發(fā),觸發(fā)器輸出信號Ud在下一時鐘脈沖來臨前保持高電平不變;鋸齒波信號USAW與Ud經(jīng)過C2比較,輸出占空比為DL的低能量脈沖信號PL。若Uo＜Uref,則Ue為低電平;觸發(fā)器輸出信號Ud在下一時鐘脈沖來臨前保持低電平不變;鋸齒波信號USAW與Ud比較產(chǎn)生占空比為DH的高能量脈沖信號PH。PT控制器主要工作波形如圖2(b)所示。

圖2 DCM DC-DC變換器在PT控制模式下的控制電路原理圖和工作波形

根據(jù)電源設(shè)計要求,當(dāng)輸出電壓Uo大于基準電壓Uref時,控制脈沖為低能量脈沖,占空比為DL:

式中,USH為鋸齒波信號USAW的最大值;USL為鋸齒波信號USAW的最小值。

將設(shè)計參數(shù)代入式(3)中,得到低能量脈沖的占空比為DL=0.25。

同理,當(dāng)輸出電壓Uo小于基準電壓Uref時,控制脈沖為高能量脈沖的占空比:

得高能量脈沖的占空比為DH=0.5。

2 仿真及實驗驗證

為了驗證PT控制方法和模擬控制器的可行性,設(shè)計了一個基于PT控制的DCM Buck變換器,其主要參 數(shù) 為 :Uin=15 V,Uo=5 V,L=100 μ H,C=470 μ F,R=10 Ω,f=10 kHz。

圖3顯示了PT控制的DCM Buck變換器工作仿真波形。在圖3中可以看出,當(dāng)Uo大于Uref時,控制脈沖Upt為低能量脈沖,占空比為DL=0.25;當(dāng)Uo小于Uref時,控制脈沖Upt為高能量脈沖,占空比為DL=0.5,與設(shè)計參數(shù)相符合。此時的控制脈沖序列為PH—PL—PL。

圖3 PT控制DCM Buck變換器工作仿真波形圖

由圖3可知,輸出電壓Uo的紋波隨著電感電流IL的變化而變化?？刂菩盘柮枯敵鲆粋€高能量脈沖,輸出電壓紋波值增大;輸出低能量脈沖時,輸出電壓紋波值減小,但是其值始終在5 V上下范圍內(nèi)波動。仿真結(jié)果與實驗設(shè)計要求一致。

圖4 PT控制DCM Buck變換器控制脈沖信號與輸出電壓波形和輸出電壓紋波波形

從圖4(a)中,可以看出當(dāng)MOSFET管導(dǎo)通控制信號為高能量脈沖占空比為DH時,輸出電壓Uo有小幅上升;而MOSFET管導(dǎo)通控制信號為低能量脈沖占空比為DL時,輸出電壓Uo有小幅下降,與仿真波形圖一致。在圖4(b)中,可觀察輸出電壓Uo的紋波圖,能夠更清楚地反映開關(guān)管導(dǎo)通控制信號與輸出電壓的變化關(guān)系。從圖中,可以更加明顯看到開關(guān)管導(dǎo)通控制信號的變化對輸出電壓的影響,與仿真結(jié)果基本一致。

3 結(jié) 論

本文在介紹了一種新型控制技術(shù)——脈沖序列控制技術(shù),并將其應(yīng)用于DCM模式的降壓型Buck DCDC變換器,用模擬方式實現(xiàn)了開關(guān)變換器對輸出電壓的控制。本文介紹的理論不需要誤差計算等詳細的小信號或大信號分析,且適用于各種開關(guān)變換器,仿真和實驗結(jié)果驗證了PT控制方法的可行性。

[1]Khaligh A,Emadi A.Pulse Adjustment,a novel digital control technique,for control of a DC-DC Buck-Boost converter operating in discontinuous conduction mode and driving constant power loads[C].IEEE Vehicle Power and Propulsion Conference,2006:1-5.

[2]Mehdi Ferdowsi,Ali Emadi,Mark Telefus,Curtis Davis.Pulse Regulation Control Technique For Flyback Converter[C].IEEE TRANSACTIONS ON POWER ELECTRONICS,2005,20(4):798-805.

[3]Ming Qin,Jianping Xu,Guohua Zhou and Qingbo Mu.A-nalysis and Comparison of Voltage-Mode and Current-Mode Pulse Train Control Buck Converter[C].IEEE ICIEA,2009,10:2924-2928.

[4]張占松,蔡宣三.開關(guān)電源的原理與設(shè)計[M].北京:電子工業(yè)出版社,2004.

[5]劉鳳君.現(xiàn)代高頻開關(guān)電源技術(shù)及應(yīng)用[M].北京:電子工業(yè)出版社,2008.

[6]周宇飛,丘水生,伍言真.開關(guān)變換器的時變滑?？刂品椒ㄑ芯縖J].電力電子技術(shù),2000,(4):22-25.