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摘 要

本文介紹一種創(chuàng)新的自適應(yīng)穩(wěn)壓器(AC/DC或DC/DC)脈寬調(diào)制器(PWM) ，基于“固定關(guān)斷時(shí)間(FOT)”或“恒定導(dǎo)通時(shí)間(COT)”控制方法，可以在全工況下(例如滿負(fù)載CCM或中低負(fù)載DCM模式，寬輸入輸出電壓) 以恒定開(kāi)關(guān)頻率工作，無(wú)轉(zhuǎn)換器的寄生參數(shù)(例如功率開(kāi)關(guān)和濾波電感器的電阻)的負(fù)面影響。此外，本文提出的調(diào)制器電路與轉(zhuǎn)換器拓?fù)錈o(wú)關(guān)(升壓、降壓、反激式等)，只與功率開(kāi)關(guān)管柵極驅(qū)動(dòng)邏輯信號(hào)(GD)有關(guān)，可以節(jié)省芯片引腳數(shù)量，且/或降低設(shè)計(jì)復(fù)雜程度。

圖1 電網(wǎng)電壓FOT調(diào)制PFC升壓轉(zhuǎn)換器(左); FSW對(duì)電網(wǎng)電壓(右)

前 言

在一個(gè)基于FOT控制方法的開(kāi)關(guān)式轉(zhuǎn)換器內(nèi)，控制器使功率開(kāi)關(guān)管的關(guān)斷時(shí)間(TOFF)固定不變，并調(diào)制功率開(kāi)關(guān)的導(dǎo)通時(shí)間(TON)，以此調(diào)整輸出電壓或電流。反之亦然，COT控制方法是使功率開(kāi)關(guān)的導(dǎo)通時(shí)間固定不變，同時(shí)調(diào)制功率開(kāi)關(guān)的關(guān)斷時(shí)間，調(diào)整轉(zhuǎn)換器的輸出電壓電流。最簡(jiǎn)單的FOT或COT電路會(huì)導(dǎo)致開(kāi)關(guān)頻率(FSW)顯著變化，這主要與輸入輸出電壓設(shè)置點(diǎn)和負(fù)載(CCM 或DCM模式)有關(guān)。具體地講，當(dāng)負(fù)載降低時(shí)，開(kāi)關(guān)頻率將會(huì)升高，導(dǎo)致能效降低或產(chǎn)生意外的特性(需要更寬的EMI濾波器)，這是一個(gè)眾所周知的技術(shù)缺點(diǎn)，不少參考文獻(xiàn)中都有記載解決這個(gè)問(wèn)題的辦法。

例如用FOT方法控制CCM PFC前級(jí)升壓穩(wěn)壓器，導(dǎo)致開(kāi)關(guān)頻率隨電網(wǎng)電壓和負(fù)載條件而發(fā)生明顯變化。按照實(shí)時(shí)電網(wǎng)電壓調(diào)制關(guān)斷時(shí)間，可以降低開(kāi)關(guān)頻率(TOFFKt Vin,pk sinθ)，如圖1所示，只要升壓級(jí)是CCM模式，最終開(kāi)關(guān)頻率是恒定的，如圖1右圖所示。

COT被廣泛用于控制基于降壓和升壓拓?fù)涞腄C/DC轉(zhuǎn)換器。在降壓轉(zhuǎn)換器內(nèi)，假設(shè)是CCM模式且忽略寄生效應(yīng)(例如功率開(kāi)關(guān)和濾波電感器的電阻)，按照檢測(cè)到的輸入輸出電壓調(diào)制導(dǎo)通時(shí)間，可以產(chǎn)生恒定的開(kāi)關(guān)頻率。事實(shí)上，實(shí)現(xiàn)這個(gè)目標(biāo)還需要檢測(cè)功率開(kāi)關(guān)上的電壓并按照該電壓對(duì)導(dǎo)通時(shí)間進(jìn)行深度調(diào)制。同樣的方法還用于COT 升壓轉(zhuǎn)換器和FOT升壓轉(zhuǎn)換器。值得注意地是，關(guān)于如何將開(kāi)關(guān)頻率變化降到最小，已有解決方法都是基于轉(zhuǎn)換器占空比估算值(這與CCM模式下的理想開(kāi)關(guān)頻率密切相關(guān))和檢測(cè)轉(zhuǎn)換器電網(wǎng)電氣參數(shù)(例如輸入輸出電壓、功率開(kāi)關(guān)/電感器電壓降等)。

為解決前文提到的所有缺點(diǎn)，本文提出的調(diào)制器的主要思路是測(cè)量功率開(kāi)關(guān)的導(dǎo)通時(shí)間(或關(guān)斷時(shí)間)，然后根據(jù)這個(gè)信息適時(shí)調(diào)制關(guān)斷或?qū)〞r(shí)間，最終取得恒定開(kāi)關(guān)頻率。

創(chuàng)新的調(diào)制器: 工作原理

圖 2 所示是我們提出的調(diào)制器(黑色的是FOT調(diào)制器，括號(hào)里的是COT調(diào)制器)，其中Q代表功率開(kāi)關(guān)管柵極驅(qū)動(dòng)邏輯信號(hào)，END-TOFF (END-TON)是調(diào)制器的輸出，其上升沿是TOFF (TON)時(shí)長(zhǎng)；IR1和IR2恒定電流發(fā)生器。采用與圖1相同的符號(hào)表示法，VTH_RAMP和VRAMP電壓可以表示為2πflinet 的函數(shù)， T(θ)= TON(θ)+ TFW(θ)+TR(θ)=TON(θ)+ TOFF(θ)是開(kāi)關(guān)周期。

圖2 創(chuàng)新的PWM調(diào)制器(左)和FOT控制方法的主要波形(右)

假設(shè) T(θ)?Rt2 Ct2?1/fline，fline是電網(wǎng)電壓頻率，電容Ct2上的開(kāi)關(guān)頻率紋波忽略不計(jì)，其平均值忠實(shí)地跟隨電網(wǎng)頻率變化。

以 FOT控制電路為例，通過(guò)將該電荷平衡應(yīng)用到開(kāi)關(guān)周期，可以求出Ct2上的平均電壓VTH_RAMP (θ)：

(1)

解方程式(1)求出VTH_RAMP(θ)電壓：

(2)

在功率開(kāi)關(guān)管關(guān)斷期間，CR1電容的充電電流是IR1恒流，CR1電容上的電壓VRAMP(θ)線性升高：

(3)

只要式(2)等于式(3)，調(diào)制器立即結(jié)束功率開(kāi)關(guān)管的關(guān)斷時(shí)間(TOFF時(shí)間)：

(4)

解方程式(4)計(jì)算1/T(θ)值：

(5)

方程式(5)證明，最終開(kāi)關(guān)頻率是恒定值，與輸入輸出電壓設(shè)置點(diǎn)無(wú)關(guān)，也與工況(CCM或DCM)和轉(zhuǎn)換器的寄生參數(shù)無(wú)關(guān)。

值得注意的是，本文提出的調(diào)制器僅基于轉(zhuǎn)換器功率開(kāi)關(guān)的柵極驅(qū)動(dòng)邏輯信號(hào)(Q)，因此是一個(gè)適用于所有轉(zhuǎn)換器拓?fù)涞耐ㄓ谜{(diào)制器。

創(chuàng)新的調(diào)制器: 仿真實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

我們采用PSIM 仿真法在不同的拓?fù)?例如DC/DC降壓COT、PFC升壓FOT、DC/DC反激式FOT轉(zhuǎn)換器等) 內(nèi)測(cè)試并驗(yàn)證圖2所示調(diào)制器。因篇幅原因就不在這里贅述良好的測(cè)試結(jié)果，我們?cè)赑FC前級(jí)升壓穩(wěn)壓器上通過(guò)實(shí)驗(yàn)方法驗(yàn)證這款創(chuàng)新的調(diào)制器的性能。

圖3和圖4分別是實(shí)驗(yàn)波形和內(nèi)置的LM-FOT調(diào)制器的400 W PFC與這款創(chuàng)新的調(diào)制器的性能比較。

具體地講，圖3所示是開(kāi)關(guān)頻率在寬輸入電壓(230Vac-上和115Vac-下)范圍和所有負(fù)載條件中(CCM-上和DCM-下)保持恒定。與標(biāo)準(zhǔn)LM-FOT方法相比，本文提出的創(chuàng)新調(diào)制器的性能大幅改進(jìn)，特別是在高壓線DCM運(yùn)行模式更為明顯，如圖4所示。

結(jié)束語(yǔ)和未來(lái)研究

圖3 實(shí)驗(yàn)波形：230Vac 滿載(上)；115Vac輕載(下)

圖4 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)比較: 230Vac輕載(DCM工作模式)