一種大變比電路的新型電容電荷平衡控制策略

洪翠，林維明，郭曉君

(福州大學電氣工程與自動化學院，福建福州350116)

一種大變比電路的新型電容電荷平衡控制策略

洪翠，林維明，郭曉君

(福州大學電氣工程與自動化學院，福建福州350116)

為提高負載動態(tài)響應特性，針對抽頭電感同步整流Buck變換器所實現(xiàn)的大變比降壓電路的特點，本文提出一種變結(jié)構(gòu)電容電荷平衡輔助電路控制策略。所提出的控制策略根據(jù)電容電荷平衡原理，在負載發(fā)生變化時通過輔助電路改變主電路結(jié)構(gòu)，使電感電流變化率適時變化，以克服恒壓輸出電力電子變換器負載突變時由于電感電流變化率受限而影響輸出電容電壓變化的不足。通過理論分析表明，所提出的控制策略輔助電路結(jié)構(gòu)簡單，無需增加磁性器件;控制邏輯能使變換器在負載擾動下實現(xiàn)快速的輸出電容充放電平衡，具有較強的負載擾動抑制能力;控制方法具有快速動態(tài)響應、不影響穩(wěn)態(tài)特性且過沖小等優(yōu)點。仿真和實驗結(jié)果驗證了所提控制策略的有效性。

大變比降壓電路;電容電荷平衡控制;輔助電路;負載動態(tài)響應

1 引言

應用于數(shù)據(jù)處理的電力電子設(shè)備往往需要具有快速的負載動態(tài)響應特性，開關(guān)變換器性能與所采取的控制策略密切相關(guān)。以電容電荷平衡思想［1］為基礎(chǔ)的控制算法已應用于傳統(tǒng)Buck變換器［2，3］、Boost變換器［4］、Buck-Boost變換器［5，6］和雙管正激變換器［7］，表現(xiàn)出良好的負載動態(tài)特性?；谠撍枷?，可通過增加輔助電路以在負載擾動時減小輸出電容電壓波動量，或通過改變變換器主電路結(jié)構(gòu)調(diào)整電感電流變化率，及時控制輸出電容電荷平衡，提高變換器的負載動態(tài)響應特性［8-10］。不過，采用控制算法通常需要復雜計算，可能導致較長的控制時延;而現(xiàn)有輔助電路方法需要額外的磁性器件，增大了變換器的體積，增加了復雜性，且其主要是用在傳統(tǒng)Buck變換器中。

引入抽頭電感的直流變換器能不改變電路基本結(jié)構(gòu)并拓寬電路占空比，實現(xiàn)大變比電壓變換［11，12］。本文針對抽頭電感同步整流Buck變換器所實現(xiàn)的大變比降壓電路的結(jié)構(gòu)特點，提出一種變結(jié)構(gòu)電容電荷平衡控制策略。根據(jù)變換器輸出狀態(tài)，依照控制邏輯控制電容電荷平衡輔助電路，使變換器在負載擾動時具有優(yōu)良的動態(tài)響應特性。控制方法具有響應快、不影響穩(wěn)態(tài)特性且過沖小等優(yōu)點，仿真和實驗結(jié)果驗證了所提控制策略的有效性。

2 大變比Buck變換器

圖1為抽頭電感同步整流Buck變換器，變換器的抽頭電感匝比n及有效匝比λ定義為:

圖1 抽頭電感同步整流Buck變換器Fig．1 Tapped inductor synchronous rectification(TI-SR) Buck converter

變換器CCM模式工作時，穩(wěn)態(tài)電壓變比為:

式中，D為穩(wěn)態(tài)占空比。

λ＞1時，該變換器能實現(xiàn)大變比降壓，故稱其為大變比Buck變換器。

3 新型電容電荷平衡控制策略

3.1 電路與工作原理

圖1所示電路實現(xiàn)大變比Buck變換器時，抽頭電感設(shè)計為總電感L的電感值較大，部分電感L2的電感值較小。針對電路這一結(jié)構(gòu)特點，本文提出一種變結(jié)構(gòu)電容電荷平衡輔助電路的控制方法，構(gòu)成新型電容電荷平衡控制抽頭電感同步整流Buck變換器(以下稱新型控制大變比降壓電路)，如圖2所示。

圖2 新型電容電荷平衡控制抽頭電感同步整流Buck變換器Fig．2 TI-SR Buck converter with new type capacitor charge balance control scheme

新型控制大變比降壓電路有穩(wěn)態(tài)和負載變化兩種工作過程，包括電感電流充電、電感電流放電、負載電流突增、負載電流突降四個工作階段。工作電路如圖3和圖4所示。

圖3 新型控制大變比降壓電路穩(wěn)態(tài)工作電路Fig．3 Operating circuit on steady state of large ratio step down converter with new control strategy

圖4 新型控制大變比降壓電路負載切換工作電路Fig．4 Operating circuit on load rush state of large ratio step down converter with new control strategy

(1)電感電流充電階段

此階段，功率MOS管Q1、Q3導通，Q2、Q4關(guān)斷，二極管D1反向截止，電感L充電。由法拉第電磁感應定律可得電感電流上升率為:

此時，功率管Q2、Q4的最大電壓為:

二極管D1的最大電壓為:

流過Q1、Q3的最大電流為:

(2)電感電流放電階段

此階段，功率MOS管Q2、Q3導通，Q1、Q4關(guān)斷，二極管D1反向截止，電感L2放電。由法拉第定律可得電感電流下降率為:

此時，功率管Q1、Q4的最大電壓為:

二極管D1的最大電壓為:

流過Q2、Q3的最大電流為:

(3)負載電流突增階段

負載電流突增時，由于電感電流不能突變，輸出電容C將為負載提供不足部分的電流，輸出電壓降低。輸出電壓Vo低于下限門檻Vo．thL時，Q1、Q3、Q4導通，Q2關(guān)斷，二極管D1反向截止。此時，電感L1兩端電壓為零，而大變比Buck變換器中，抽頭電感一般無法完全耦合，于是輸入電壓Vi通過抽頭電感的漏感Llk給負載充電。由法拉第定律可得電感電流上升率為:

此時，功率管Q2的最大電壓為:

二極管D1的最大電壓為:

(4)負載電流突降階段

負載電流突降時，電感電流同樣不能突變，多余電流流向輸出電容C，輸出電壓升高。當輸出電壓Vo高于門檻值Vo．thH時，Q1、Q3、Q4關(guān)斷，Q2導通，二極管D1正向?qū)?。此時，輸出電容C給負載供電，電感L2通過Q2和D1續(xù)流回饋到輸入電壓。由法拉第電磁感應定律得電感電流下降率為:

功率管Q1、Q3、Q4此時的最大電壓為:

通過二極管D1及功率管Q2的最大電流為:

可見，新型控制大變比降壓電路穩(wěn)態(tài)工作過程與正常工作大變比Buck變換器相同，電路結(jié)構(gòu)只在負載突變時改變。負載電流突增時，因漏感Llk電感值一般較小，于是k3＞k1，新型電路可大大提升電感電流上升速率，快速補充輸出電容向負載提供的電流，使電容電荷達到平衡，輸出電壓穩(wěn)定;負載電流突降時，因電感L2的電感值較小，且降壓變換器輸入電壓大于輸出電壓，于是k4＞k2，新型電路可大大提升電感電流下降速率，減少流入輸出電容的電流，使電容電荷盡快恢復平衡，輸出電壓穩(wěn)定。

3.2 控制電路設(shè)計

新型控制大變比降壓電路閉環(huán)控制系統(tǒng)框圖如圖5所示，其中，控制邏輯電路如圖6所示。

圖5 新型控制大變比降壓電路閉環(huán)控制系統(tǒng)框圖Fig．5 Block diagram of closed loop control system of large ratio step down converter with new control strategy

圖6 新型控制大變比降壓電路控制邏輯圖Fig．6 Control logic diagram of large ratio step down converter with new control strategy

控制電路根據(jù)輸出電壓采樣判決結(jié)果進行切換:

(1)Vo．thL≤Vo≤Vo．thH。采用穩(wěn)態(tài)與小信號動態(tài)控制邏輯，新型控制大變比降壓電路按圖3所示穩(wěn)態(tài)工作過程工作。此時，Q3導通、Q4關(guān)斷，Q1、Q2以常規(guī)電壓型PWM實現(xiàn)閉環(huán)控制。

(2)Vo＜Vo．thL。采用負載電流突增控制邏輯，新型控制大變比降壓電路如圖4(a)所示負載電流突增工作階段，快速補充電容電荷，輸出電壓進入穩(wěn)態(tài)。

(3)Vo．thH＜Vo。采用負載電流突降控制邏輯，新型控制大變比降壓電路如圖4(b)所示負載電流突降工作階段，電感電流快速下降，輸出電壓進入穩(wěn)態(tài)。

上述單點判斷形式可能存在反復切換行為，但并不影響控制穩(wěn)定性。

4 電路仿真與實驗

應用PSPICE仿真軟件對新型控制大變比降壓電路進行仿真驗證。主電路參數(shù):Vi=48V，Vo= 5V，Io=6A;Vo．thH=5．1V，Vo．thL=4.9V;L= 352μH，L2=22μH，L與L2間的耦合電感Lm= 87μH(耦合系數(shù)k=0.99)，C=470μF。功率MOS管選用IRF640，輔助二極管選用MBR1035，PWM控制采用電壓型PWM控制芯片SG3525，占空比設(shè)計為0～0.9。

4.1 仿真結(jié)果

額定負載穩(wěn)定工作時，新型控制大變比降壓電路主開關(guān)管驅(qū)動電壓、主開關(guān)管以及同步管漏源極間電壓、負載電流的仿真波形如圖7所示。

圖7 穩(wěn)態(tài)仿真波形圖Fig．7 Simulation waveforms on steady state

負載突變時，傳統(tǒng)PID控制大變比Buck變換器與本文提出新型控制大變比降壓電路的仿真波形如圖8所示。

圖8 負載突變時仿真波形圖Fig．8 Simulation outputwaveforms on transient state of load rush

可見，本文提出新型控制大變比降壓電路穩(wěn)態(tài)工作時功率開關(guān)管應力在允許范圍內(nèi);電路對負載擾動有較強抑制作用，負載突變時輸出電壓超調(diào)較小，從而有效地改善了系統(tǒng)負載響應動態(tài)性能。

4.2 實驗結(jié)果

采用與仿真相同的主電路參數(shù)搭建樣機，樣機實物如圖9所示。MOS管采用IRF640，輔助二極管采用MUR2545CT，PWM控制采用電壓型芯片SG3525，占空比取值范圍0～0.9，Vo．thH=5.1V、Vo．thL=4.9V。

圖9 樣機照片圖Fig．9 Picture of experiment prototype

電路以額定負載穩(wěn)態(tài)工作時，主開關(guān)管的驅(qū)動電壓和主開關(guān)管以及同步管的漏源極間電壓的實驗波形如圖10所示。由圖10可見，主功率管Q1漏源極間電壓的最大尖峰約為110V。

負載突變時，傳統(tǒng)PID控制大變比Buck變換器與本文提出新型控制大變比降壓電路的輸出實驗波形如圖11所示。

圖10 電路穩(wěn)態(tài)實驗波形圖Fig．10 Experimentwaveforms on steady state

圖11 負載突變實驗波形圖Fig．11 Experimentwaveforms on transient state of load rush

由圖11可見，當實驗電路負載從0突變到6A時，本文提出新型控制大變比降壓電路與傳統(tǒng)PID控制的大變比Buck變換器相比，雖然恢復時間相近，但電壓超調(diào)量明顯減小。圖11中還給出了新型控制電路中功率管Q4的驅(qū)動波形，當輸出電壓低于所設(shè)的電壓下限Vo．thL時，功率管Q4開通，反映出輔助電路工作狀態(tài)。

5 結(jié)論

為進一步提高大變比Buck變換器負載動態(tài)響應速度，本文利用抽頭電感結(jié)構(gòu)特點提出一種變結(jié)構(gòu)電容電荷平衡控制策略，構(gòu)成電容電荷平衡控制電路，實現(xiàn)大變比降壓電路負載擾動快速動態(tài)響應。該方法充分利用大變比主電路的結(jié)構(gòu)特點，在負載突變時改變電路結(jié)構(gòu)以適時調(diào)整電感電流變化率。

新型控制大變比降壓電路對負載擾動有較強的抑制作用，大大減小了負載突變時輸出電壓的超調(diào)量，可有效地提高系統(tǒng)的負載擾動動態(tài)性能，從而實現(xiàn)快速的負載動態(tài)響應。并且，輔助電路只在變換器負載發(fā)生突變時才起作用，對電路穩(wěn)態(tài)特性影響小，對電路的整體效率影響也較小。仿真與實驗驗結(jié)果驗證了所提控制策略的理論預期。

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New control strategy of large ratio step-down converter based on capacitor charge balance

HONG Cui，LINWei-ming，GUO Xiao-jun
(School of Electric Engineering and Automation，F(xiàn)uzhou University，F(xiàn)uzhou 350116，China)

To improve dynamic load response，a control strategy is proposed in this paper on the basis of capacitor charge balance theory that is aiming at structural features of the tapped inductor synchronous rectification Buck converter and the so called large ratio Buck converter．The strategy is realized bymeans of auxiliary circuitwhich changes the structure of large ratio converter main circuit while load is changing，then an adaptive inductor current(，cont．on p.75)(，cont．from p.31)changing rate is achieved so that limitation of dynamic load response speed with fixed inductor current changing rate of constant output voltage converter is covered effectively．Theoretical analysis indicates that the control strategy proposed in this paper do has simple circuit structure and without the necessary of usingmagnetic element，and it can accelerate the balance of output capacitor charge while load disturbance occurs with the using of appropriate control logic so that to stabilize the output voltage．Fast load transient response and smaller overshootand better stability are advantages of this strategy．Results of simulation and experiment are in agree with these conclusions．

large ratio step down circuit;capacitor charge balance control;auxiliary circuit;dynamic load response

TM46

A

1003-3076(2015)06-0027-05

2014-04-13

福建省自然科學基金資助項目(2011J01294)

洪翠(1972-)，女，福建籍，講師，博士研究生，主要研究方向為電力電子變流技術(shù)與新能源電力;林維明(1964-)，男，福建籍，教授，博士生導師，博士，主要研究方向為電力電子變流技術(shù)。