AC—DCBoost變換器次諧波抑制試驗(yàn)

李洋

摘要：建立連續(xù)峰值電流型AC-DC Boost變換器電路，研究輸入電壓時(shí)變情況下電路不穩(wěn)定行為，重點(diǎn)分析電感電流次諧波振蕩產(chǎn)生機(jī)理。以消除電路次諧波振蕩、電路穩(wěn)定工作為目標(biāo)，采用參考電流斜坡補(bǔ)償方法，推導(dǎo)了保證電路穩(wěn)定工作所需的最小斜坡補(bǔ)償幅值公式，設(shè)計(jì)了相應(yīng)的斜坡補(bǔ)償電路。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明補(bǔ)償方法可以有效地抑制AC-DC Boost變換器電路中次諧波振蕩，驗(yàn)證了設(shè)計(jì)方法和結(jié)果的正確性，提出的補(bǔ)償方法在中小功率開關(guān)電源中具有良好的應(yīng)用前景。

關(guān)鍵詞：AC-DC Boost變換器；次諧波；斜坡補(bǔ)償

中圖分類號(hào)：TP391 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1009-3044（2016）25-0188-03

Abstract： AC-DC Boost converter with peak continuous current control is built up， and the unstable behavior in converter with time-varying input is investigated， the origin of inductor current harmonic oscillation spectrum is analyzed in detail. To eliminate the harmonic oscillation， and ensure stable operation of the converter， the reference current slope compensation method is used. The equation for the minimum slope compensation is derived， which can ensure the stable of the circuit. More important， the harmonic compensation current is designed to solve above problem. The experimental results indicated that the provided compensation method can effectively inhibit the harmonic osciallation in AC-DC Boost converter. The correctness of the design method and its result are verified. The novel compensation method has good application prospect in middle and low power switching power supplies.

Key words： AC-DC Boost converter， harmonic， slope compensation

近年來(lái)，隨著電力電子技術(shù)的迅速發(fā)展，開關(guān)電源的應(yīng)用也越來(lái)越廣泛。在高頻技術(shù)的應(yīng)用下，電源也趨于小型化、微型化，然而高頻又不可避免給電路帶來(lái)嚴(yán)重的次諧波振蕩現(xiàn)象，使得電路的穩(wěn)定能力備受考驗(yàn)，如何高效地抑制高頻電源中的次諧波振蕩現(xiàn)象，保證電路安全穩(wěn)定工作已成為目前一個(gè)熱門課題。以往許多學(xué)者對(duì)次諧波進(jìn)行了大量研究，而且取得了許多成果[1-6]，但依然存在兩個(gè)不足之處：一是大部分研究都是在DC-DC Boost變換器的基礎(chǔ)上進(jìn)行的，通過(guò)分析不同電壓幅值下電路控制能力，給出電路穩(wěn)定控制范圍，這種靜態(tài)分析法忽略了輸入電壓的時(shí)變性，不能說(shuō)明輸入電壓時(shí)變情況下電路的穩(wěn)定特性。二是文獻(xiàn)在對(duì)次諧波進(jìn)行研究時(shí)主要是從減小電路功率損耗的角度來(lái)考慮的，沒有詳細(xì)分析開關(guān)周期內(nèi)電感電流工作情況，對(duì)電路不穩(wěn)定時(shí)電感異常充放電行為缺少合理解釋。

為了研究電壓時(shí)變模式下電路次諧波不穩(wěn)定行為，本文以峰值電流型AC-DC Boost電路為基礎(chǔ)，分析電感電流次諧波現(xiàn)象，以參考電流斜坡補(bǔ)償為例，推導(dǎo)最小斜坡補(bǔ)償幅值公式，為AC-DC Boost電路的穩(wěn)定性設(shè)計(jì)提供理論依據(jù)。

1 次諧波振蕩的產(chǎn)生及其抑制

電路原理如圖1所示，采用Matlab/Simulink模塊建立仿真模型，選取電路基本參數(shù)為：，，，，，仿真得到電感電流波形如圖2所示。

圖2為 0.180s0.190s時(shí)段的波形，可以清晰地看到電感電流在一個(gè)工頻周期的上升和下降兩端均出現(xiàn)次諧波不穩(wěn)定現(xiàn)象，而且左右不對(duì)稱。輸入電壓上升段電感電流由混沌調(diào)整經(jīng)臨界點(diǎn)后進(jìn)入穩(wěn)定狀態(tài)，在輸入電壓下降段，電感電流由穩(wěn)定狀態(tài)下降經(jīng)臨界點(diǎn)后重新進(jìn)入混沌。可見，在輸入電壓過(guò)低時(shí)，電路的穩(wěn)定能力較弱，電感電流易出現(xiàn)次諧波振蕩現(xiàn)象。

為了抑制AC-DC Boost變換器中次諧波不穩(wěn)定現(xiàn)象，常在反饋回路中適當(dāng)?shù)囊胄逼卵a(bǔ)償信號(hào)來(lái)拓寬變換器穩(wěn)定工作范圍，從而實(shí)現(xiàn)消除次諧波振蕩的目的[7]。如圖3所示，給參考電流減去一個(gè)斜率為的斜坡補(bǔ)償信號(hào)，圖中表示電感電流， 、分別為電感充電、放電電流斜率，、和分別表示、和時(shí)刻的電感電流，為時(shí)刻開始的開關(guān)周期內(nèi)的占空比，為開關(guān)周期，為補(bǔ)償后的參考電流。

由固定斜坡補(bǔ)償理論可知，當(dāng)補(bǔ)償特征系，變換器處于單周期狀態(tài)[8]。在時(shí)刻，電路處于臨界穩(wěn)定狀態(tài)，為了保證電路在非穩(wěn)定時(shí)段能夠穩(wěn)定工作，需要給參考電流引入一定幅值的補(bǔ)償電壓。假設(shè)參考電流斜坡補(bǔ)償電壓為，補(bǔ)償幅值為，輸入電壓瞬時(shí)值為，由于輸出電容非常大，可忽略輸出電壓紋波，因此可得：

由式（1）、（2）得到保證電路穩(wěn)定的最小斜坡補(bǔ)償電壓幅值為：

根據(jù)公式（3），計(jì)算最小斜坡補(bǔ)償幅值，選取合理參數(shù)對(duì)補(bǔ)償后電感電流進(jìn)行仿真，波形如圖3所示，不難看出補(bǔ)償后電感電流在工頻周期上升和下降兩端的次諧波不穩(wěn)定現(xiàn)象消失，波形平滑，電感電流波形得到明顯改善?？梢?，在電路調(diào)整過(guò)程中采取適當(dāng)?shù)难a(bǔ)償，可以提高電路的鎮(zhèn)定能力，有效地抑制系統(tǒng)次諧波不穩(wěn)定現(xiàn)象。

2 試驗(yàn)與分析

以ML4812作為控制芯片，實(shí)驗(yàn)電路如圖4所示 。取斜坡補(bǔ)償電阻，圖5為斜坡補(bǔ)償前后的參考電流、采樣電感電流以及占空比波形（順序由上到下）。

由圖5（a）不難看出，未加補(bǔ)償時(shí)占空比波形在工頻周期的上升和下降兩端出現(xiàn)混沌現(xiàn)象，而且左右不對(duì)稱，將不穩(wěn)定區(qū)域一個(gè)固定時(shí)刻進(jìn)行局部放大如圖5（c）所示，可以清晰地看到開關(guān)占空比大小變化，電感電流充放電時(shí)間不穩(wěn)定，并且伴隨一個(gè)開關(guān)周期內(nèi)連續(xù)充電現(xiàn)象，可見電感電流發(fā)生了次諧波振蕩現(xiàn)象。加入補(bǔ)償后參考電流、電感電流采樣以及占空比波形如圖5 （b）所示，可以看到占空比在工頻周期上升和下降兩端對(duì)應(yīng)的混沌區(qū)域消失，只有過(guò)零處為零，其余時(shí)段均穩(wěn)定。將圖5（b）中與圖5（c）對(duì)應(yīng)的同一時(shí)刻波形放大如圖5（d）所示，發(fā)現(xiàn)在每個(gè)開關(guān)周期內(nèi)電感都有充電和放電過(guò)程，一個(gè)開關(guān)周期內(nèi)連續(xù)充電現(xiàn)象消失，而且占空比相對(duì)穩(wěn)定，這說(shuō)明斜坡補(bǔ)償能夠拓寬電路穩(wěn)定工作區(qū)域，消除電路次諧波振蕩。

為了進(jìn)一步研究電路次諧波振蕩現(xiàn)象，對(duì)上述電路的補(bǔ)償前后電感電流進(jìn)行FFT諧波分析（選用Hamming窗函數(shù)），結(jié)果如圖6所示。

由圖6（a）可見，補(bǔ)償前電感電流諧波成分以025kHz的低次諧波為主，其中25kHz的次諧波含量最大（110mV），50kHz的開關(guān)頻率55mV，可見電感電流有嚴(yán)重的低次諧波振蕩現(xiàn)象，尤其是二分之一開關(guān)頻率處的次諧波尤為嚴(yán)重。加入適當(dāng)?shù)男逼卵a(bǔ)償后電感電流FFT諧波分析結(jié)果如圖6（b）所示，025kHz頻段的低次諧波成分基本消失，25kHz頻率次諧波得到有效抑制（25mV，同比減小77.3%），50kHz開關(guān)頻率略有上升，（70mV）?？梢?，斜坡補(bǔ)償能夠有效地抑制電路次諧波，保證電路穩(wěn)定工作。

3 結(jié)論

1）AC-DC Boost變換器電感電流在工頻周期的上升和下降兩端出現(xiàn)次諧波不穩(wěn)定區(qū)域，而且左右不對(duì)稱。通過(guò)對(duì)電感電流進(jìn)行FFT分析結(jié)果發(fā)現(xiàn)，次諧波主要以零到二分之一開關(guān)頻率頻段的低次諧波為主，其中二分之一開關(guān)頻率處的次諧

波振蕩現(xiàn)象最為嚴(yán)重。

2）給參考電流引入適當(dāng)幅值的斜坡補(bǔ)償，能夠拓寬電路的穩(wěn)定工作區(qū)域，有效地消除AC-DC Boost變換器中電感電流低次諧波振蕩現(xiàn)象，尤其是對(duì)二分之一開關(guān)頻率處的次諧波有很強(qiáng)的抑制作用。

參考文獻(xiàn)：

[1] 張占松，張心益.高頻開關(guān)變換技術(shù)教程[M].北京： 機(jī)械工業(yè)出版社，2010.

[2] D Giaouris，S Banerjee.Bifurcation behaviors of peak current controlled PFC Boost converer[J] .

Chinese Physics，2005，14（7）：1352-1358.

[3] 徐順剛.開關(guān)電源諧波分析及抑制方法[J].重慶師范大學(xué)學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版 ，2009，26（3）：79-81.

[4] 曹太強(qiáng)，徐建平，徐順剛.開關(guān)電源諧波的研究[J].電機(jī)，2007，37（5）：0058-0060.

[5] O Dranga，C K Tse，H C H IU.Bifurcation behaveior of a power factor-correction Boost converter[J].Internationl Journal of Bifurcation and Chaos，2003，13（10） ： 3107-3144.

[6] 倪海東，蔣玉萍.高頻開關(guān)電源集成控制器[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2004.

[7] 程為彬，康思民，汪躍龍，等.功率因數(shù)校正Boost變換器中的快時(shí)標(biāo)不穩(wěn)定的形成與參數(shù)動(dòng)態(tài)共振[J].物理學(xué)報(bào)，2011，60（2）：020506-020513.

[8] 程為彬，郭穎娜，康思民，等.Boost 變換器中參數(shù)斜坡共振控制能力研究[J].物理學(xué)報(bào)，2009，58（7）：4439-4448.