錢葉冊(cè)，時(shí)國平，孫 佐

池州學(xué)院機(jī)電工程學(xué)院，池州,247000

Buck變換器的改進(jìn)電流控制模式研究

錢葉冊(cè)，時(shí)國平，孫 佐

池州學(xué)院機(jī)電工程學(xué)院，池州,247000

為了提高Buck變換器控制系統(tǒng)的可靠性和動(dòng)態(tài)性能，在傳統(tǒng)電流控制模式基礎(chǔ)上提出一種改進(jìn)的電流控制模式。該控制模式采用電壓、電流雙閉環(huán)控制，再增加電壓前饋的控制環(huán)節(jié)。建立了Buck變換器的閉環(huán)控制系統(tǒng)模型，并對(duì)控制系統(tǒng)電壓環(huán)和電流環(huán)的傳遞函數(shù)進(jìn)行了推導(dǎo)，設(shè)計(jì)了系統(tǒng)的補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)。對(duì)Buck變換器控制系統(tǒng)在傳統(tǒng)電流控制模式和改進(jìn)控制模式下進(jìn)行的負(fù)載電流擾動(dòng)實(shí)驗(yàn)進(jìn)行比較，驗(yàn)證了在改進(jìn)控制模式下可取得更好的動(dòng)態(tài)響應(yīng)。

Buck變換器；動(dòng)態(tài)性能；閉環(huán)控制

1 問題提出

開關(guān)電源在人們生活中的應(yīng)用正朝著集成高和精度高方面發(fā)展，這就對(duì)開關(guān)電源的變換器控制要求越來越高。本文以Buck變換器為研究對(duì)象，在傳統(tǒng)電流控制模式基礎(chǔ)上提出一種改進(jìn)的變換器控制模式，提高了系統(tǒng)的可靠性和動(dòng)態(tài)性能，確保產(chǎn)品適應(yīng)不同的工作環(huán)境和客戶使用要求[1]。

電流控制模式主要有峰值電流模式控制和平均電流模式控制。前者主要以一個(gè)開關(guān)周期內(nèi)電流的峰值為控制對(duì)象，特點(diǎn)是動(dòng)態(tài)響應(yīng)速度較快，穩(wěn)定性不夠；而后者主要以一個(gè)開關(guān)周期內(nèi)電流的平均值為控制對(duì)象，特點(diǎn)是穩(wěn)定性高，但動(dòng)態(tài)特性不夠好且控制較復(fù)雜[2-3]。針對(duì)以上問題，文獻(xiàn)[4]提出了電荷控制模式，特點(diǎn)是開關(guān)噪聲小，可以控制開關(guān)電流的平均值，缺點(diǎn)是穩(wěn)定性受輸入電壓及負(fù)載的影響較大。文獻(xiàn)[5]提出了滑模變結(jié)構(gòu)控制模式，優(yōu)點(diǎn)是系統(tǒng)具有很快的響應(yīng)速度，但電路設(shè)計(jì)復(fù)雜，且變結(jié)構(gòu)控制固有的抖動(dòng)問題難以解決。文獻(xiàn)[6]提出了模糊自適應(yīng)控制模式，優(yōu)點(diǎn)是不需要掌握被控對(duì)象的精確模型，對(duì)過程參數(shù)的變化具有較強(qiáng)的適應(yīng)性，但控制電路成本高，且控制規(guī)則需要長時(shí)間的積累。

本文提出的改進(jìn)電流控制模式采用以輸出電壓和電流為對(duì)象的雙閉環(huán)控制，再引入電壓前饋控制環(huán)節(jié)。電壓負(fù)反饋可以消除電壓外環(huán)包含的前向通道上的所有擾動(dòng)，電流負(fù)反饋可消除電流內(nèi)環(huán)包含的前向通道上的所有擾動(dòng)；當(dāng)輸入電壓擾動(dòng)時(shí)，利用系統(tǒng)電壓前饋控制環(huán)節(jié)，可以實(shí)時(shí)對(duì)輸入電壓變化進(jìn)行調(diào)節(jié)[7-8]。因此，本文所設(shè)計(jì)的模式控制具有電壓負(fù)反饋、電流負(fù)反饋和電壓前饋三個(gè)環(huán)節(jié)同時(shí)調(diào)節(jié)的作用，保證控制系統(tǒng)更加迅速、穩(wěn)定。

2 Buck變換器控制系統(tǒng)的建模

圖1為Buck 變換器等效電路。在分析Buck 變換器改進(jìn)控制算法之前，要作一些條件假設(shè)：①Buck變換器工作狀態(tài)為電感電流連續(xù)(CCM)模式；②變換器主電路各個(gè)元件均為理想元件；③變換器的開關(guān)頻率遠(yuǎn)大于輸入電壓的頻率[9-10]。

圖1 Buck變換器等效電路

由圖1可知，當(dāng)開關(guān)管Q工作在通態(tài)時(shí)，電感電流iL表達(dá)式為：

t(k)≤t

(1)

當(dāng)開關(guān)管Q關(guān)斷時(shí)，電感電流iL可以表示為：

t(k)+d(k)·Ts≤t

(2)

其中，t(k)表示開關(guān)管工作在第k個(gè)開關(guān)周期的起始時(shí)刻，t(k+1)表示開關(guān)管工作在第k個(gè)開關(guān)周期的終了時(shí)刻，d(k)表示開關(guān)管工作在第k個(gè)開關(guān)周期時(shí)的控制占空比，Ts表示開關(guān)管的開關(guān)周期值[11-12]。

在Buck 變換器電流閉環(huán)控制環(huán)節(jié)，第k個(gè)開關(guān)周期末的電感指令電流iref(k+1)決定第k個(gè)開關(guān)周期末的電感電流iL(k+1)大小；在Buck 變換器電壓閉環(huán)控制環(huán)節(jié)，電壓指令值Vref決定輸出電壓vo大小。因此，在開關(guān)管占空比的表達(dá)式中，iL(k+1)和vo可以用iref(k+1)和Vref替代：

(3)

對(duì)式(3)所示的占空比進(jìn)行小信號(hào)擾動(dòng)，可得：

(4)

由式(4)得：

(5)

(6)

(7)

由上面推導(dǎo)可知，Buck變換器的閉環(huán)控制系統(tǒng)模型如圖2所示。

圖2 Buck變換器閉環(huán)控制系統(tǒng)模型

由圖2可知，通過建立Buck變換器的占空比與系統(tǒng)輸入電壓和負(fù)載電流擾動(dòng)之間的關(guān)系，采用輸出電壓負(fù)反饋、電感電流負(fù)反饋以及輸入電壓前饋三個(gè)環(huán)節(jié)，對(duì)占空比進(jìn)行實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)控制，來實(shí)現(xiàn)維持系統(tǒng)輸出電壓的平穩(wěn)。

(1)當(dāng)負(fù)載電流io發(fā)生正向擾動(dòng)時(shí)，輸出電壓Vo(s)減小，經(jīng)過H(s)反饋后與Vref(s)比較，所得的差值Vc(s)增大，經(jīng)過補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)Gc(s)后，與參考電流量iref之間差值也增大，使得占空比電流控制項(xiàng)d1增大，從而使Buck變換器的占空比d增大，輸出電壓增大，維持輸出電壓恒定，進(jìn)而使發(fā)生躍變的電流回復(fù)初始平穩(wěn)狀態(tài)。當(dāng)負(fù)載電流io發(fā)生負(fù)向擾動(dòng)時(shí)，與上述過程剛好相反，最終也能維持系統(tǒng)輸出電壓的平穩(wěn)。

(2)當(dāng)輸入電壓Vin發(fā)生正向擾動(dòng)時(shí)，經(jīng)過傳遞函數(shù)Gi2(s) 使參考電流量iref增大，電感電流iL減小，占空比電流控制項(xiàng)d1也減小。同時(shí)，系統(tǒng)通過電壓前饋的控制，使占空比電壓控制項(xiàng)d2減小，占空比實(shí)時(shí)響應(yīng)輸入電壓的躍變，使Buck變換器的占空比d減小，輸出電壓減小，從而維持輸出電壓恒定，使發(fā)生躍變的電流回復(fù)初始平穩(wěn)狀態(tài)。當(dāng)負(fù)輸入電壓Vin發(fā)生負(fù)向擾動(dòng)時(shí)，與上述過程剛好相反，最終也能維持系統(tǒng)輸出電壓的平穩(wěn)。系統(tǒng)采用電壓前饋的控制方法，占空比實(shí)時(shí)響應(yīng)輸入電壓的躍變，因此系統(tǒng)具有較好的輸入動(dòng)態(tài)特性[13-15]。

3 Buck變換器閉環(huán)控制的傳遞函數(shù)

由Buck變換器閉環(huán)控制系統(tǒng)模型可知系統(tǒng)電流環(huán)控制環(huán)節(jié)，如圖3所示。

圖3 Buck變換器電流環(huán)控制框圖

由圖3可知，系統(tǒng)電流環(huán)控制環(huán)節(jié)傳遞函數(shù)為：

(8)

由Buck變換器閉環(huán)控制系統(tǒng)模型可知系統(tǒng)電壓環(huán)控制環(huán)節(jié)，如圖4所示。

圖4 Buck變換器電壓環(huán)控制框圖

由圖4可知，系統(tǒng)電壓環(huán)控制環(huán)節(jié)的傳遞函數(shù)為：

(9)

Buck變換器的補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)如下：

(11)

補(bǔ)償后參考電流對(duì)輸出電壓開環(huán)傳遞函數(shù)為：

(12)

4 動(dòng)態(tài)擾動(dòng)實(shí)驗(yàn)

為了驗(yàn)證Buck變換器控制系統(tǒng)具有良好的動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性，設(shè)計(jì)了改進(jìn)電流模式控制系統(tǒng)和傳統(tǒng)峰值電流模式控制系統(tǒng)，分別作負(fù)載電流正躍變和負(fù)載電流負(fù)躍變兩種情況對(duì)比實(shí)驗(yàn)。負(fù)載電阻R=2.5 Ω，輸出負(fù)載電流為10 A。輸出電壓穩(wěn)定后，通過負(fù)載跳變電路將負(fù)載電阻增加為5 Ω，負(fù)載電流變?yōu)? A，即實(shí)現(xiàn)了負(fù)載電流的負(fù)躍變。同理，通過負(fù)載跳變電路將負(fù)載電阻由5 Ω減小為2.5 Ω，即負(fù)載電流由5 A躍變?yōu)?0 A，實(shí)現(xiàn)了負(fù)載電流的正躍變。

當(dāng)負(fù)載電流發(fā)生負(fù)躍變由10 A躍變?yōu)? A時(shí)，由圖5(a)可知，在傳統(tǒng)電流模式控制下，輸出電壓超調(diào)量為128 mV，恢復(fù)時(shí)間為120 μs。由圖5(b)可知，在改進(jìn)電流控制模式下，輸出電壓超調(diào)量為52 mV，恢復(fù)時(shí)間為54 μs。改進(jìn)電流控制模式的超調(diào)量和恢復(fù)時(shí)間都小于傳統(tǒng)電流模式控制。

圖5 Buck電路的負(fù)載電流負(fù)躍變實(shí)驗(yàn)波形

當(dāng)負(fù)載電流發(fā)生正躍變由5 A躍變?yōu)?0 A時(shí)，由圖6(a)可知，在傳統(tǒng)電流控制模式下，輸出電壓欠調(diào)量為130 mV，恢復(fù)時(shí)間為128 μs。由圖6(b)可知，在改進(jìn)模式控制下，輸出電壓欠調(diào)量為82 mV，恢復(fù)時(shí)間為44 μs。改進(jìn)電流控制模式的超調(diào)量和恢復(fù)時(shí)間都小于傳統(tǒng)電流控制模式。

圖6 Buck電路的負(fù)載電流正躍變實(shí)驗(yàn)波形

5 結(jié) 論

本文介紹了一種Buck變換器改進(jìn)電流控制模式，采用電壓、電流雙閉環(huán)控制，再增加電壓前饋的控制環(huán)節(jié),既保留了傳統(tǒng)電流控制模式的優(yōu)點(diǎn)，又可以使控制電路的調(diào)節(jié)器根據(jù)擾動(dòng)的性質(zhì)和大小進(jìn)行控制以補(bǔ)償擾動(dòng)的影響，對(duì)于時(shí)延大、擾動(dòng)大而頻繁的電路具有良好的動(dòng)態(tài)響應(yīng)和負(fù)載調(diào)整率。

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(責(zé)任編輯：劉小陽)

10.3969/j.issn.1673-2006.2017.10.027

2017-06-18

安徽省教育廳自然科學(xué)研究重點(diǎn)項(xiàng)目“微電網(wǎng)電能質(zhì)量主動(dòng)控制策略的研究”(KJ2017A577)；安徽省教育廳質(zhì)量工程項(xiàng)目“電氣工程及其自動(dòng)化專業(yè)綜合改革試點(diǎn)”(2014zy077)。

錢葉冊(cè)(1972-)，安徽樅陽人，碩士，講師，研究方向：電力電子技術(shù)。

TM46

A

1673-2006(2017)10-0103-04