電流型雙脈沖跨周期調(diào)制Buck變換器研究

1、電流型雙脈沖跨周期調(diào)制buck變換器研究傳統(tǒng)的開關dc-dc變換器一般采用脈沖寬度調(diào)制(pulse width modulation, pwm)技術實現(xiàn)對開關dc-dc變換器的閉環(huán)控制。pwm作為一-種 線性定頻變脈寬調(diào)制技術，通過采用調(diào)整控制脈沖的占空比技術實現(xiàn)對開關變換 器輸出電壓的控制。目前，pwm調(diào)制技術發(fā)展相對成熟，在電力電子工業(yè)界得 到了廣泛應用。隨著對電源系統(tǒng)性能的要求不斷提高，以線性理論為基礎的pwm 調(diào)制技術在魯棒性、瞬態(tài)響應等方面始終難以令人滿意。非線性控制方法的引入 有效地改善了系統(tǒng)的動態(tài)特性，解決了上述線性控制技術中存在的問題，此控制 技術已得到國內(nèi)外研究人員的關注。脈

2、沖跨周期調(diào)制(pulse skipping modulation, psm)技術作為一種汕線性控 制技術，它自提岀以來在工業(yè)界得到了廣泛應用。相比pwm技術，psm技術 具有電路設計簡單，瞬態(tài)響應速度快以及輕載時工作效率高等優(yōu)點。文獻笛提 出了 dpsm技術，這種技術結合了 psm技術和脈沖序列(pulse train, pt)技術。 其工作原理是根據(jù)開關電源輸出電壓與基準電壓的關系來確定脈沖序列控制器 對功率脈沖的選擇，最終保證輸岀電壓達到穩(wěn)定狀態(tài)。然而，文獻中提出的電壓 型dpsm buck變換器為單一電壓環(huán)控制，該技術在電路啟動時易產(chǎn)生電流過沖 現(xiàn)象，必須加入軟啟動電路和過流保護電路對電

3、路進行保護，因而增加了電路設 計的復雜度。針對上述問題，本文提岀了一種電流型dpsm技術，該技術成功 地消除了電路啟動時的電流過沖現(xiàn)彖，同時還保持了電壓型dpsm技術所有的 優(yōu)點。電流型dpsm技術是一種具有獨特控制方式的簡單的開關dc-dc變換器 控制方法，目前還未見相關的理論分析以及動力學建模的硏究報道。木文主要以 buck變換器為例，首先闡述電流型dpsm技術的基本工作原理，推導輸出電壓 變化量與負載電阻z間的關系；其次對工作于dcm的dpsm buck變換器進行 動力學建模與以負載電阻為變量的分岔分析；最后通過psim仿真結果分析和實 驗電路制作驗證電流型dpsm技術理論分析的正確性。

4、動力學建模與脈沖組合規(guī)律1 buck變換器的動力學分析圖1為工作于dcm的電流型dpsm buck變換益的 工作波形。在一個開關周期內(nèi),buck變換器具有三種不 同的開關狀態(tài)。這三種不同開關狀態(tài)的時間區(qū)間內(nèi)，高 功率脈沖、低功率脈沖和跨周期脈沖的持續(xù)時間分別定 義為巾、丁 ih和丁 2h"0l、6l和丁汕以及丁00、才0和丁 d ,則有:丁q , "> i 】tj= ty, vm d > v2 , j = h 丄，0(1 )假設in和vn> in+1和vn+1分別是電感電流i(t)和輸岀電容電壓即輸岀電壓v(t) 在時鐘nt、(n+1)t時刻的采樣值。根據(jù)

5、一個開關周期內(nèi)三種不同的電路拓撲結 構，可得到不同狀態(tài)時的時域解。開關狀態(tài)i：開關管s導通，續(xù)流二極管d關斷。電路狀態(tài)方程表示為 ldi/dt二v+e、cdv/dt=i-v/r,時域解為:式(8)所描述的離散吋間映射模型是二維離散動力學系統(tǒng)模型。由于電流型 dpsm dcm buck變換器在每個開關周期初始和結束時刻恒為零，因此式(8)所 描述的模型可以降為一維離散時間映射模型，即有：將電感電流ih、il代入式(9)中，可得到：2脈沖組合分析由式(10)可對電流型dpsm dcm buck變換器輸出電壓的分岔行為進行分 析。選擇負載電阻r為分岔參數(shù)，變化范圍為8.5q70q結果如圖2(a)所示

6、。當r二rh時，變換器的運行軌跡與邊界匕發(fā)生第一次邊界碰撞分岔，控制 器發(fā)出的脈沖序列由單個ph脈沖組合變?yōu)閜h和pl脈沖組合；隨著負載電阻增 大，當r=rhl時，變換器的多周期軌斷與邊界v2發(fā)生碰撞分岔，同時與邊界 w發(fā)生第一次碰撞分岔，變換器的運行軌跡出現(xiàn)了三種功率脈沖同時出現(xiàn)的現(xiàn) 象，控制器發(fā)出的脈沖序列為ph、pl和po脈沖組合；隨著負載電阻r進一步 增大，當r二rl時，變換器的多周期軌道與邊界w發(fā)生最后一次碰撞分岔，同 時與邊界也發(fā)生碰撞分岔，控制器發(fā)岀的脈沖序列變成為pl和po脈沖組合。 為了清楚地觀察分岔現(xiàn)象和脈沖組合方式，圖2(b)給出了 r=15.56 q附近的局 部分岔圖。

7、圖2(a)中，分別以w、v?為邊界，邊界匕以下的離散點代表功率脈沖ph 作用下輸出電壓的運行軌跡，對于介于邊界w、v2之間的離散點代表pl作用下 輸岀電壓的運行軌跡，邊界w以上的離散點代表po作用下輸出電壓的運行軌跡。 當rvrh時，負載較重，電流型dpsm buck變換器只選擇ph，變換器工作于 周期1態(tài)；當rhvrvrhl時，存在皿個ph和山個pl的離散點組合，則變換器 工作于多周期mh+ml態(tài)；當rhlvrvrl時，則由ph個ph、pl個pl和po個po 的離散點組成，變換器工作于多周期mh+ml+mo態(tài)；當rl<r時，由pl個pl和mo 個po的離散點組成，變換器工作于多周期pl

8、+po態(tài)。圖2(b)中，r二15.56 q時, rhlvrvrl，變換器電路的序列脈沖由ph、pl和po組成，此時變換器工作在周 期4態(tài)，其組合方式為2ph-1pl-1poo由此可見，電流型dpsm buck變換器是 一種特殊的離散型動力學系統(tǒng)。實驗驗證為驗證電流型dpsm控制器的可行性，利用它控制的buck變換器進行實 驗驗證，對其進行試驗驗證。利用psim仿真軟件搭建電路模型，并且對電流型dpsm dcm buck變換 器進行實驗研究。圖3所示為電流型dpsm dcm buck變換器在口0, 70區(qū)間 內(nèi)分別取r為x7 q、22.2 q和43 q吋v、i和vgs的吋域波形。圖3(a)中r=

9、11.7 q 控制器輸出的脈沖序列組合為2ph-1pl;圖3(b)屮r二22.2q 脈沖序列組 合為1ph-2pl-1po;圖3(c)中r=43 0,脈沖序列組合為2pl-1p0o圖3中電感電流均處于dcmo圖3(a)的輸岀電壓紋波約為70 mv;圖3(b) 的輸出電壓紋波約為60 mv；圖3(c)的輸出電壓紋波約為35 mv。實驗結果與 用psim仿真軟件搭建的電路仿真結果基本一致。結論本文提出了電流型dpsm控制技術，根據(jù)其工作原理，對其進行動力學建 模，得出了輸出電壓變化量與負載電阻之間的關系。采用psim電路仿真和實驗 電路觀察，證明了理論分析的準確性以及可行性。電流型dpsm dcm buck變換器的一個功率脈沖循環(huán)周期是由高、低功率 脈沖及跨周期脈沖的數(shù)量及其組合方式?jīng)Q定的。分析得知，當rvrhl時，控制 器為pt控制方式；當rhl