鄭昕昕，肖嵐，劉新天，何耀，曾國建（.合肥工業(yè)大學新能源汽車工程研究院，安徽合肥30009；.南京航空航天大學自動化學院，江蘇南京006）

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兩級寬輸入開關電源占空比振蕩的幾何分析

鄭昕昕1，肖嵐2，劉新天1，何耀1，曾國建1
（1.合肥工業(yè)大學新能源汽車工程研究院，安徽合肥230009；
2.南京航空航天大學自動化學院，江蘇南京210016）

摘要：研究了一種電流控制型雙BUCK級聯(lián)形式的寬輸入開關電源，其適應輸入電壓的寬范圍變化，能夠隨輸入電壓的變化而調整工作模態(tài)，從而減小電路損耗與器件的電壓應力。然而采用電流型控制方式會導致次諧波振蕩，導致系統(tǒng)的不穩(wěn)定，從幾何角度分析了引起功率管占空比振蕩的原因，介紹了電流的斜坡補償技術，并在仿真分析的基礎上搭建了實驗平臺，從而驗證了設計方案的可行性。

關鍵詞：寬輸入；電流檢測；電流斜坡補償；開關電源

電源市場的全球化，保證開關電源在全球各種不同的供電系統(tǒng)下都能正常工作已成為當前的一個新的課題［1］，因此，通常的DC/DC變換器都有一定的輸入電壓適應范圍［2］。本文介紹了一種雙BUCK級聯(lián)拓撲結構的寬輸入DC/DC變換器，輸入電壓范圍為DC 50～150 V，輸出DC 30 V，采用電流控制型脈寬調制對后級變換器進行閉環(huán)控制，電路簡單，前級變換器開環(huán)控制，將較高輸入電壓降至較低電壓后由后級進行穩(wěn)壓，減小了電路的開關損耗，提高變換器效率。

1　變換器結構及控制策略

對于單級式BUCK變換器，由于輸出電壓一定，輸入電壓越高，開關管導通時間越短，其在關斷期間承受的電壓越高，而電路中的整流二極管則會在開關管導通期間承受高壓窄脈沖，這會導致電路中元器件的溫度急劇上升，變換器效率下降，這就要求開關器件有很高的開關速度，大大增加了變換器的成本［3］。而雙BUCK級聯(lián)拓撲的DC/DC變換器通過前級降壓變換后再進行穩(wěn)壓，能夠減輕單級變換器在寬電壓范圍工作時所承受的負擔，大大增強了其對寬電壓輸入的適應能力，且無需耗費太大成本。

變換器主電路拓撲如圖1所示。其中S1，S2為前后級開關功率管，其占空比分別為D1，D2；VD1，VD2為前后級整流二極管；iL1,iL2為流過電感L1，L2的電流；Ro為變換器負載。當輸入直流電壓小于30 V時，變換器前后級都直通，當輸入電壓大于30 V且小于70 V時，變換器處于欠壓狀態(tài)，前級功率管直通，僅后級變換器工作，電路實際上為一單級BUCK變換器，當輸入電壓升至70 V以上時，開環(huán)控制前級功率管，固定占空比D1= 0.5，后級BUCK變換器閉環(huán)工作，采用電流控制型脈寬調制，保證輸出穩(wěn)壓。

圖1　主電路拓撲Fig. 1 Main circuit topology

2　占空比振蕩的原因和解決方法

2.1電流控制型脈寬調制穩(wěn)定性分析

電流控制型脈寬調制將電壓反饋Uf與基準電壓Uref的誤差放大信號作為電流基準Iref，與電流采樣信號If進行比較，輸出信號作為RS鎖存器的輸入［4］，原理如圖2所示。時鐘信號CLK頻率恒定，當If小于Iref時，比較器輸出端即RS鎖存器的R端為低電平，鎖存器輸出端為高電平，當If高于Iref時，比較器輸出高電平，鎖存器置0（復位），鎖存器輸出端變?yōu)榈碗娖?，直到下一時鐘脈沖使鎖存器置1（置位）輸出高電平。

圖2　電流控制型脈寬調制Fig.2 Current controlled PWM

當電路遇到干擾時，例如輸入電壓或負載發(fā)生變化，采用電流控制型脈寬調制具有很快的響應速度［5］。例如當輸入電壓升高時，流過開關管的電流增大，當檢測到的反饋電流達到電流基準時，比較器輸出立即翻轉，關斷開關管，以保證輸出電壓的穩(wěn)定。而對于電壓控制型脈寬調制技術來說，必須等檢測到輸出電壓發(fā)生變化后才能夠對脈寬進行調制，動態(tài)響應速度很慢。

采用電流型控制方式會出現一種不穩(wěn)定現象，表現為當輸入電壓較低時，功率管的占空比會忽大忽小，輸出不穩(wěn)定，稱之為次諧波振蕩。次諧波振蕩產生的原因是，當輸入電壓較低時，后級BUCK電路功率管的占空比D2＞0.5，如果在第n開關周期的起始點處，電感電流有一個大于0的擾動量，那么在這個周期結束后，這個擾動量被放大α倍，且α＞1，作為第n+1周期的初始擾動量。如圖3a所示為電流擾動量1個周期內隨時間變化情況，將其幾何化，如圖3b所示。

圖3　占空比大于0.5時的電流擾動Fig. 3 Current disturbance when the duty greater than 0.5

從幾何圖形分析可知，三角形ABC全等于三角形A′B′C′，故BB′=CC′，α＜β，有

ΔI1=EB=BB′tanα＜CC′tanβ=CD=ΔI2（1）

可見擾動量經過1個周期后會被放大，在第n+1個周期結束后，擾動量又放大了α倍，擾動量的變化頻率為開關頻率的一半。這個擾動量是不斷增加的，因此系統(tǒng)是不穩(wěn)定的。

當輸入電壓繼續(xù)上升，占空比減小至0.5以下后，如圖4a所示，每經過1個周期，電流擾動量會減小，將其幾何化如圖4b所示。

可以看出，α＞β，則有

ΔI1=EB=BB'tanα＞CC'tanβ=CD=ΔI2（2）

擾動量最終趨于0，系統(tǒng)穩(wěn)定，因此當占空比小于0.5時，不會出現次諧波振蕩。

2.2斜坡補償原理

為消除次諧波振蕩，可給電流基準加一負斜率斜坡補償，如圖5a所示，幾何分析見圖5b。

圖4　占空比小于0.5時的電流擾動Fig. 4 Current disturbance when the duty smaller than 0.5

圖5　電流斜坡補償原理Fig.5 Principle of current slope compensation

其中I′ref即為補償后的電流基準，設電流上升斜率為m1，下降斜率為m2，補償斜坡的斜率為m，若要使電流擾動經過1個周期后被縮小，即ΔI1＞ΔI2，則m需滿足一定的條件。由圖5b幾何分析可知

在實際電路實現中，由于新的電流基準I′ref是補償前的電流基準Iref減去斜坡補償，因此補償后的電流波形應為電感電流與斜坡補償之和，可以將一正斜率的斜坡信號加至電流比較器輸入端進行斜坡補償。文中所設計的雙BUCK級聯(lián)寬輸入開關電源的后級采用電流控制型脈寬調制器UC3846進行閉環(huán)控制，通過圖6所示電路加入斜坡補償。其中C1濾掉了CT腳產生的鋸齒波直流分量，R1，R2決定了補償斜坡信號的斜率m［6］。

圖6　斜波補償電路Fig.6 Slope compensation circuit

3　仿真和實驗結果

對電路搭建了仿真模型進行仿真分析，不考慮輸入欠壓時后級BUCK變換器單獨工作的情況，輸入直流電壓范圍70～150 V，兩級BUCK變換器級聯(lián)工作，輸出直流電壓30 V，最大輸出功率為600 W，前級開環(huán)控制，固定占空比D1=0.5，采用電流控制型脈寬調制集成電路UC3846對后級BUCK變換器進行控制。

圖7a所示為未加斜坡補償時，當輸入電壓躍變，后級功率管占空比從大于0.5變化為小于0.5時電路相關參數的變化，從上到下依次為輸入電壓、后級電感電流、補償后的電流和后級功率管驅動波形，可以看出，當占空比大于0.5時，功率管驅動的占空比是震蕩的，電路不穩(wěn)定，而當輸入電壓增加，后級變換器的占空比減小至0.5以下后，擾動趨于0，電路穩(wěn)定。

圖7　占空比減至0.5以下時的參數變化Fig. 7 Parameters when the duty cycle drops below 0.5

加入斜坡補償后，無論占空比是否大于0.5，占空比都不會發(fā)生振蕩，如圖7b所示。波形從上到下依次為后級電感電流、斜坡補償、補償后的電流、后級功率管驅動波形和輸入電壓，可以看出，電路一直是穩(wěn)定的。

基于仿真結果搭建了實驗平臺，當輸入低于70 V時，控制前級變換器直通，高于70 V時兩級共同工作，實驗條件與仿真條件相同。圖8給出了電感電流波形和斜坡補償信號，可以看出，電感電流連續(xù)，加入斜坡補償后其每周期形狀不再為三角形，而是疊加了1個斜坡信號。

圖8　電感電流和斜坡補償Fig.8 Inductor current and slope compensation

圖9給出了輸入150 V時變換器的外特性曲線，加至滿載后，輸出電壓下降0.6 V，變換器電壓精度為2%，根據GJB 1412—94，航天地面低壓直流電源電壓精度應小于3%，滿足要求［7］。此外，當影響量發(fā)生突變時，要求電路暫態(tài)恢復時間不超過1 s，圖10所示為突加、突卸負載時輸出電壓的變化情況，可以看出，電路恢復穩(wěn)定時間為3 ms，均滿足要求。

圖9　變換器外特性曲線Fig. 9 Performance contour curve of the converter

實驗測得滿載時輸出電壓紋波為120 mV，小于國標所規(guī)定的最大值800 mV。滿載效率為90.7%，電路運行時噪音較小，輸入電壓較低時開關功率管占空比無震蕩現象，因此電路具有良好的輸出穩(wěn)定性和較硬的外特性，采用電流控制使電路暫態(tài)恢復時間較小，電路效率較高。

圖10　突加、突卸負載時輸出電壓的變化Fig. 10 Output voltage changes when sudden，unload and load

4　結論

雙BUCK級聯(lián)式寬輸入DC/DC變換器適用于低壓大電流的輸出環(huán)境，相比于單級式BUCK變換器，其降低了大范圍變化的輸入電壓條件下器件的開關損耗及電壓應力，電路簡單，能夠降低電路成本和延長使用壽命。通過斜坡補償能夠有效抑制驅動信號占空比的震蕩，提高變換器系統(tǒng)工作的可靠性，變換器能夠在寬電壓輸入范圍內穩(wěn)定工作。

參考文獻

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修改稿日期：2015-12-22

Geometric Analysis of Duty Shocks for Two-stage Wide-input Switching Power Supply

ZHENG Xinxin1，XIAO Lan2，LIU Xintian1，HE Yao1，ZENG Guojian1
（1. New Energy Automobile Engineering Research Institute，Hefei University of Technology，Hefei 230009，Anhui，China；2. College of Automation，Nanjing University of Aeronautics and Astronautics，Nanjing 210016，Jiangsu，China）

Abstract：Analyzed a current-controlled double-BUCK cascade converter of wide-input switching power supply. Which the range of the input voltage is wide and the working modes can be changed according to the input voltage. The circuit loss and the voltage stress can be reduced. The sub harmonic oscillation would be introduced by the current-type control. The system might instable. The reason of duty shocks from the geometric point of view and the slope compensation were discussed. The current slope compensation was introduced. An experimental platform based on the simulation results was established to prove the feasibility of the scheme.

Key words：wide-input；current detection；current slope compensation；switching power supply

中圖分類號：TM46

文獻標識碼：A

基金項目：國家自然科學基金（51377082）；安徽省國際合作項目（1303063010）；博士學位專項資助基金（JZ2015HGBZ0456）

作者簡介：鄭昕昕（1987-），女，博士，Email：zxx2126@163.com

收稿日期：2015-05-11