開(kāi)關(guān)變換器數(shù)字雙功率控制技術(shù)

何圣仲 代東雷

摘 要：針對(duì)開(kāi)關(guān)變換器多頻率控制等方法中存在輸出電壓偏差等問(wèn)題，以Buck變換器為例，深入分析控制脈沖功率和輸出電壓之間的數(shù)學(xué)關(guān)系，提出了一種數(shù)字雙功率控制技術(shù)。該控制技術(shù)利用數(shù)字控制動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)控制脈沖的功率大小，保持輸出電壓的穩(wěn)定。給出了詳細(xì)的公式推導(dǎo)，從理論上說(shuō)明了這種控制技術(shù)相較于其他控制的優(yōu)勢(shì)。研究表明，該控制技術(shù)能夠?qū)崿F(xiàn)包括空載狀態(tài)在內(nèi)的寬輸出功率范圍的調(diào)節(jié)，在保證輸出電壓紋波較小的同時(shí)，有效抑制了輸出電壓偏差。在不影響電路的瞬態(tài)響應(yīng)速度的情況下，進(jìn)一步改善了電路的穩(wěn)態(tài)性能。仿真和實(shí)驗(yàn)證明了理論分析的正確性。

關(guān)鍵詞：輸出電壓偏差;Buck變換器;數(shù)字雙功率控制;輸出功率范圍;瞬態(tài)響應(yīng)速度;穩(wěn)態(tài)性能

DOI：10.15938/j.emc.2020.03.005

中圖分類號(hào)：TM 461文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A文章編號(hào)：1007-449X（2020）03-0038-07

Abstract：To solve the problem of output voltage deviation in multifrequency control of switching converter， taking Buck converter as an example， the mathematical relationship between the power of the control pulse and output voltage is deeply analyzed， and a digital bipower control technique is proposed. The control technique uses digital control to dynamically adjust the power of the control pulse to maintain the stability of the output voltage. The detailed formula derivation was given， and the advantages of this control technique over other control methods were explained theoretically. The research shows that the control technique can achieve wide output power range adjustment including noload state， and effectively suppress the output voltage deviation while guaranteeing a smaller output voltage ripple. Without affecting the transient response speed of the circuit， the steadystate performance of the circuit is further improved. The validity of the theoretical analysis was verified by simulation and experiment.

Keywords：output voltage deviation; Buck converter; digital bipower control; output power range; transient response speed; steadystate performance

0 引 言

近年來(lái)，工業(yè)生產(chǎn)對(duì)開(kāi)關(guān)變換器的性能提出了越來(lái)越高的要求。在負(fù)載經(jīng)常發(fā)生變化的應(yīng)用場(chǎng)合，變換器需要具有快速的瞬態(tài)響應(yīng)速度[1]。由于控制環(huán)路帶寬的限制，傳統(tǒng)PI控制技術(shù)并不具有快速的瞬態(tài)響應(yīng)速度[2]。為此，滑膜控制[3-4]、滯環(huán)控制[5-7]、脈沖序列（pulse train，PT）控制[8-10]、雙頻率（bifrequency， BF）控制[11-12]、多頻率（multifrequency，MF）控制[13-14]以及多級(jí)脈沖序列（multilevel pulse train， MPT）控制[15-17]等策略被提出，有效地提高了開(kāi)關(guān)變換器的瞬態(tài)響應(yīng)速度。但是，滑膜控制和滯環(huán)控制的開(kāi)關(guān)頻率是動(dòng)態(tài)變化的，這不利于電路的電磁兼容設(shè)計(jì)[12];PT控制和BF控制在輸出功率范圍和輸出電壓紋波上無(wú)法兼顧;MPT控制和MF控制雖然成功解決了輸出電壓紋波和輸出功率范圍兼容問(wèn)題，但是輸出電壓始終存在偏差;MPT控制電路設(shè)計(jì)比較復(fù)雜，且無(wú)法工作于空載狀態(tài)[13]。

相較于模擬控制，數(shù)字控制更加具有靈活性，便于設(shè)計(jì)出模擬控制難以實(shí)現(xiàn)的控制算法[18]。本文基于數(shù)字控制的優(yōu)點(diǎn)，提出了一種開(kāi)關(guān)變換器數(shù)字雙功率（digital bipower，DBP）控制技術(shù)，以易于分析的非連續(xù)導(dǎo)電模式（discontinuous conduction mode，DCM）Buck變換器為例進(jìn)行說(shuō)明。DBP控制分定頻數(shù)字雙功率（fixedfrequency digital bipower，F(xiàn)FDBP）和變頻數(shù)字雙功率（variable frequency digital bipower，VFDBP）兩種模式，其區(qū)別為改變的是控制脈沖頻率還是占空比。以FFDBP模式為例，通過(guò)數(shù)字控制動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)兩組頻率相同的控制脈沖的導(dǎo)通時(shí)間，使得所需要的輸出功率在任何情況下都能被滿足。DBP控制從控制原理上改善了電路的穩(wěn)態(tài)性能，幾乎完全消除了輸出電壓偏差，且在輕載條件下具有更小的輸出電壓紋波，使包括空載在內(nèi)的寬輸出功率范圍得以實(shí)現(xiàn)。在數(shù)字控制方面，控制算法簡(jiǎn)單，采用通用型數(shù)字處理器就可以實(shí)現(xiàn)。論文首先介紹DBP控制，詳細(xì)分析了其工作原理，并對(duì)幾種控制方式進(jìn)行歸一化分析，通過(guò)仿真和實(shí)驗(yàn)對(duì)理論分析進(jìn)行了驗(yàn)證，最后給出了結(jié)論。

1 DBP控制技術(shù)

圖1為DBP控制Buck變換器的電路原理圖，數(shù)字處理器的ADC單元在第n個(gè)周期末對(duì)主電路的輸出電壓和電流進(jìn)行采樣，得到輸出電壓vn和電流in。然后，在算法單元中，將vn和in經(jīng)過(guò)一系列運(yùn)算，得到與參考電壓Vref相匹配的高功率控制脈沖PH和低功率控制脈沖PL。最后，vn和Vref經(jīng)過(guò)比較選擇對(duì)應(yīng)的控制脈沖作為有效脈沖。

5 結(jié) 論

1）本文以Buck變換器為例，提出了一種開(kāi)關(guān)變換器數(shù)字雙功率控制技術(shù)。數(shù)字控制使得DBP控制可以很方便地調(diào)整控制脈沖的功率。相較PT和BF控制，DBP控制在保證輸出電壓紋波較小的同時(shí)，實(shí)現(xiàn)了寬輸出功率調(diào)節(jié)，并且提升了瞬態(tài)響應(yīng)速度;相較MPT和MF控制，DBP控制有效抑制了輸出電壓偏差，并且進(jìn)一步提高了電路的穩(wěn)態(tài)性能。仿真和實(shí)驗(yàn)證明了理論分析的正確性。

2）數(shù)字控制的靈活性保證了控制算法的有效實(shí)現(xiàn)。在已有的PT、BF、MPT和MF控制中，不論是雙控制脈沖還是多組控制脈沖，其頻率和占空比都是固定的，導(dǎo)致輸出電壓會(huì)出現(xiàn)較大紋波或穩(wěn)態(tài)偏差。而所提出的DBP控制，根據(jù)所需輸出功率動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)控制脈沖，使得控制脈沖時(shí)刻保持相對(duì)于輸出功率的最優(yōu)化。理論上輸出電壓紋波可以非常小，但此時(shí)控制脈沖功率等級(jí)相差不大，會(huì)影響電路的瞬態(tài)響應(yīng)速度。

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（編輯：賈志超）