侯鑫堯,倪 強(qiáng)

(西南交通大學(xué),四川 成都 610031)

0 引 言

近年來(lái),隨著電力電子技術(shù)和信息技術(shù)迅速發(fā)展,開(kāi)關(guān)電源成為了電氣工程領(lǐng)域應(yīng)用和研究的熱點(diǎn)。與線性電源相比,開(kāi)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(shì),目前已經(jīng)成為主要的DC-DC變換設(shè)備。對(duì)開(kāi)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(kāi)關(guān)電源的工作狀態(tài),按照一定規(guī)律通過(guò)高能量脈沖和低能量脈沖組成的脈沖序列對(duì)主電路進(jìn)行控制。與傳統(tǒng)的PWM控制不同,PT控制系統(tǒng)沒(méi)有延遲環(huán)節(jié),對(duì)變換器輸入端或輸出端出現(xiàn)的擾動(dòng)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(guò)在兩級(jí)固定占空比的高、低能量脈沖中進(jìn)行選擇,控制開(kāi)關(guān)管的導(dǎo)通和關(guān)斷,從而實(shí)現(xiàn)對(duì)變換器輸出電壓的調(diào)節(jié)。如果輸出電壓Uo低于基準(zhǔn)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(dá)到基準(zhǔn)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(zhǔn)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(shí)間比低能量脈沖導(dǎo)通時(shí)間長(zhǎng),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(fù)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(jìn)行研究。采用斷續(xù)導(dǎo)電模式的優(yōu)勢(shì)在于能夠?qū)崿F(xiàn)開(kāi)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(kāi)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(kāi)關(guān)變換器的輸出電壓和電感電流波形。由于在MOSFET開(kāi)關(guān)管導(dǎo)通期間電感電流線性增長(zhǎng),Buck變換器在高能量脈沖周期內(nèi)開(kāi)關(guān)管電流的平均值為:

則PH控制的一個(gè)開(kāi)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(kāi)關(guān)周期。

同理,在一個(gè)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(kāi)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(shí)現(xiàn)方式

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

上述PT控制器的工作過(guò)程為:在開(kāi)關(guān)周期的起始時(shí)刻,時(shí)鐘信號(hào)CP來(lái)臨,若此時(shí)Uo＞Uref,則Ue為高電平;時(shí)鐘信號(hào)同時(shí)使觸發(fā)器D觸發(fā),觸發(fā)器輸出信號(hào)Ud在下一時(shí)鐘脈沖來(lái)臨前保持高電平不變;鋸齒波信號(hào)USAW與Ud經(jīng)過(guò)C2比較,輸出占空比為DL的低能量脈沖信號(hào)PL。若Uo＜Uref,則Ue為低電平;觸發(fā)器輸出信號(hào)Ud在下一時(shí)鐘脈沖來(lái)臨前保持低電平不變;鋸齒波信號(hào)USAW與Ud比較產(chǎn)生占空比為DH的高能量脈沖信號(hào)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(jì)要求,當(dāng)輸出電壓Uo大于基準(zhǔn)電壓Uref時(shí),控制脈沖為低能量脈沖,占空比為DL:

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

將設(shè)計(jì)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(zhǔn)電壓Uref時(shí),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(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

為了驗(yàn)證PT控制方法和模擬控制器的可行性,設(shè)計(jì)了一個(gè)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(shí),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(shí),控制脈沖Upt為高能量脈沖,占空比為DL=0.5,與設(shè)計(jì)參數(shù)相符合。此時(shí)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?hào)每輸出一個(gè)高能量脈沖,輸出電壓紋波值增大;輸出低能量脈沖時(shí),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(dòng)。仿真結(jié)果與實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)要求一致。

圖4 PT控制DCM Buck變換器控制脈沖信號(hào)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(hào)為高能量脈沖占空比為DH時(shí),輸出電壓Uo有小幅上升;而MOSFET管導(dǎo)通控制信號(hào)為低能量脈沖占空比為DL時(shí),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(kāi)關(guān)管導(dǎo)通控制信號(hào)與輸出電壓的變化關(guān)系。從圖中,可以更加明顯看到開(kāi)關(guān)管導(dǎo)通控制信號(hào)的變化對(duì)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(shí)現(xiàn)了開(kāi)關(guān)變換器對(duì)輸出電壓的控制。本文介紹的理論不需要誤差計(jì)算等詳細(xì)的小信號(hào)或大信號(hào)分析,且適用于各種開(kāi)關(guān)變換器,仿真和實(shí)驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證了PT控制方法的可行性。

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