峰值電流控制模式DC-DC BUCK變換器的斜坡補(bǔ)償研究

高鵬飛

（西安石油大學(xué) 電子工程學(xué)院，陜西 西安710065)

0 引 言

DC-DC功率變換器具有高效率、高功率密度及高可靠性等優(yōu)勢(shì)，被廣泛應(yīng)用于各領(lǐng)域[1]。DC-DC變換器的諸多控制方式中，最常用的控制方式有兩種：電壓控制和電流控制。其中，電流控制又分為平均電流控制、峰值電流控制及滯環(huán)電流控制。峰值電流控制具有改善開(kāi)關(guān)調(diào)節(jié)系統(tǒng)瞬態(tài)特性、限制功率管最大電流值、改善開(kāi)關(guān)調(diào)節(jié)系統(tǒng)穩(wěn)定性、補(bǔ)償電路簡(jiǎn)單及增益帶寬大等優(yōu)點(diǎn)[2]。但由于電路引入了功率開(kāi)關(guān)管等非線性的器件和反饋控制環(huán)節(jié)，影響了變換器的穩(wěn)定性能，本文將以人工斜坡補(bǔ)償?shù)姆椒▉?lái)實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的穩(wěn)定性控制[3]。

1 峰值電流型開(kāi)關(guān)調(diào)節(jié)系統(tǒng)DC-DC BUCK變換器工作原理

圖1為峰值電流型開(kāi)關(guān)調(diào)節(jié)系統(tǒng)DC-DC BUCK變換器的工作原理圖。

圖1 峰值電流型開(kāi)關(guān)調(diào)節(jié)系統(tǒng)DC-DC BUCK變換器工作原理圖

由圖1可知，輸出電壓Vo經(jīng)過(guò)采樣電路后與誤差比較器中設(shè)定的參考電壓Vref進(jìn)行比較，比較后得到的信號(hào)經(jīng)過(guò)補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)得到控制信號(hào)Vcp，Vcp再和采樣得到流過(guò)功率開(kāi)關(guān)管的信號(hào)Vrs一起送至PWM比較器，從而產(chǎn)生使開(kāi)關(guān)管Q1導(dǎo)通的驅(qū)動(dòng)信號(hào)。

圖2 峰值電流型開(kāi)關(guān)調(diào)節(jié)系統(tǒng)控制的基本原理

圖2為峰值電流型開(kāi)關(guān)調(diào)節(jié)系統(tǒng)控制的基本原理圖。由圖2可知，在一個(gè)開(kāi)關(guān)周期T的起始點(diǎn)，控制器輸出占空比D高電平（ton），使功率開(kāi)關(guān)Q1管持續(xù)導(dǎo)通，流過(guò)開(kāi)關(guān)管的電流線性增長(zhǎng)，采樣電阻兩端的電壓Vrs也隨之增加，當(dāng)采樣電阻兩端的電壓Vrs與電壓控制器的輸出電壓Vcp相等時(shí)，控制器輸出占空比D低電平（toff），功率開(kāi)關(guān)管截止。

2 系統(tǒng)中的次諧波震蕩

圖3為峰值電流型DC-DC BUCK變換器工作在連續(xù)導(dǎo)電模式下電感電流擾動(dòng)前后波形圖。

圖3 峰值電流型DC-DC BUCK變換器電感電流擾動(dòng)波形

由圖3可知：

其中，m1為電感充電時(shí)的斜率，m2為電感放電時(shí)的斜率；Vi為輸入電壓，Vo為輸出電壓。公式（2）為：

由式（2）可知，當(dāng)占空比D＞0.5時(shí)，如果以第n個(gè)周期為起點(diǎn)，給電感電流施加一個(gè)微擾動(dòng)量δin，且δin＞0，則在該周期結(jié)束后，擾動(dòng)被放大為αδin；在第（n+1）個(gè)周期開(kāi)始時(shí)，擾動(dòng)量為δin+1=αδin，這個(gè)周期結(jié)束后，擾動(dòng)量變?yōu)棣?δin＞0。由此可知：

隨著n的增加，如果擾動(dòng)量最終下降為零，則系統(tǒng)穩(wěn)定，即當(dāng)D＞0.5時(shí)，α＞1，系統(tǒng)不穩(wěn)定；當(dāng)D＜0.5時(shí)，α＜1，系統(tǒng)穩(wěn)定。

擾動(dòng)量的變化頻率為開(kāi)關(guān)頻率的一半，這就是次諧波震蕩，而且擾動(dòng)量是不斷增加的，如果不采用適當(dāng)措施，電路系統(tǒng)是不穩(wěn)定的。

3 人工斜坡補(bǔ)償技術(shù)

引入峰值電流控制型的開(kāi)關(guān)調(diào)節(jié)系統(tǒng)，當(dāng)占空比D＞0.5時(shí)，電路系統(tǒng)中會(huì)產(chǎn)生次諧波震蕩現(xiàn)象，增加人工斜坡補(bǔ)償是抑制次諧波最直接有效的方法[4]。該方法是給控制量增加一個(gè)相同周期的負(fù)斜率的斜坡補(bǔ)償信號(hào)m，m＜0，（工程上一般取m=0.7m2）得到固定斜坡補(bǔ)償?shù)碾姼须娏鞴ぷ髑€，如圖4所示。

圖4 峰值電流型DC-DC BUCK變換器固定斜坡補(bǔ)償電感電流波形

利用Matlab/Simulink進(jìn)行仿真分析，驗(yàn)證了人工斜坡補(bǔ)償理論的正確性和可行性[5]。由圖5和圖6可知，未加入斜坡補(bǔ)償信號(hào)前，占空比大小變換不均勻，BUCK電路進(jìn)入了不穩(wěn)定狀態(tài)；加入斜坡補(bǔ)償信號(hào)后，占空比均勻變換，BUCK電路系統(tǒng)達(dá)到穩(wěn)定工作狀態(tài)。

圖5 無(wú)補(bǔ)償時(shí)占空比波形

圖6 斜坡補(bǔ)償后占空比波形

4 結(jié) 論

本文針對(duì)峰值電流型開(kāi)關(guān)調(diào)節(jié)系統(tǒng)的占空比D大于0.5時(shí)存在的次諧波震蕩現(xiàn)象，以BUCK電路為例，通過(guò)理論分析和仿真驗(yàn)證，證明了采用人工斜坡補(bǔ)償?shù)姆椒?，可使峰值電流型開(kāi)關(guān)調(diào)節(jié)系統(tǒng)達(dá)到穩(wěn)定工作狀態(tài)。