（电力电子与电力传动专业论文）电流型控制开关变换器的研究与优化.pdf

西南交通大学研究生学位论文 第1 i 页 a b s t r a c t d e t a i l e da n dw i d e r a n g e da n a l y s i sa n dd e s c r i p t i o no fc u r r e n t - m o d ec o n t r o l a n dt h ea d v a n t a g e sb r o u g h tb yi t ，i sm a d ei nt h i sd i s s e r t a t i o n ，t ot h eq u e s t i o n s w h i c ha r eb r o u g h tb yc u r r e n t - m o d ec o n t r o l ，t h ed i s s e r t a t i o na n a l y s i sn e c e s s i t y a n de f f e c t i v e n e s so f t h es l o p ec o m p e n s a t i o n b a s e do ne s t a b l i s h i n gu n i f o r m s m a l l - s i g n a lt r a n s f e rf u n c t i o n sm o d e l o fc u r r e n t - m o d ec o n t r o l l e ds w i t c h i n g c o n v e r t e r ，t h en e t w o r ko ft h es y s t e mi so p t i m i z e db yd y n a m i cp r o g r a m m i n g t h o s e r e s e a r c h sa r eh e l pt ou n d e r s t a n dt h ec h a r a c t e r i s t i co fc u r r e n t - m o d ec o n t r o l ， a n dl a yt h ef o u n d a t i o no f t h eo t h e ra p p l i c a t i o no ft h i sm e t h o d c h a p t e r2c l a r i f i e st h ea d v a n t a g eo fc u r r e n t - m o d ec o n t r o lt h r o u g hc o m p a r i n g w i t hv o l r a g e m o d ec o n t r 0 1 t ot h eq u e s t i o n ss u c ha se r r o rb e t w e e np e a kc u r r e n t a n da v e r a g ec u r r e n t ，o p e n 1 0 0 pi n s t a b i l i t y ，s u b h a r m o n i co s c i l l a t i o n ，t h i s c h a p t e ra n a l y s i sn e c e s s i t ya n de f f e c t i v e n e s so f t h es l o p ec o m p e n s a t i o n t h e c o n c l u s i o ni sg a i n e dt h a tt h es l o p eo ft h ec o m p e n s a t i o nr a m ps h o u l db eg r e a t e r t h a no n e h a l fo ft h ed o w ns l o p eo ft h ec u r r e n tw a v e f o r mt og u a r a n t e et h es y s t e m s t a b i l i t y c h a p t e r3i n t r o d u c e st h em e t h o d so fd e s i g n i n ga n di m p l e m e n t i n gc u r r e n t - m o d e c o n t r o l l e df l y b a c ks w i t c h i n gp o w e rs u p p l y ，i n c l u d et h et r a n s f o r m e rd e s i g n s l o p ec o m p e n s a t i o ni m p l e m e n t i n g ，r - cf i1 t e rc i r c u i te t c c h a p t e r4p r e s e n t sau n i f o r ms m a l l - s i g n a lt r a n s f e rf u n c t i o n sm o d e lo ft h e c u r r e n t m o d ec o n t r o l l e ds w i t c h i n gc o n v e r t e r sw i t ht h es l o p ec o m p e n s a t i o n b a s e do nt h i sm o d e l ，a n du s et h ei s ei n d e xa st h eo b j e c t i v ef u n c t i o n ，t h en e t w o r k o f t h ec u r r e n t m o d ec o n t r o l l e ds w i t c h i n gp o w e rs u p p l yi so p t i m i z e db y s e q u e n t i a lq u a d r a t i cp r o g r a m m i n g ( s q p ) a l g o r i t h m t h er e s u l ts h o w st h a t t h e o p t i m i z a t i o nc a nr e d u c et h ee r r o ro f t h es y s t e m ，f a s t e nt h er e s p o n s eo ft h e s y s t e m t h es i m u l a t i o ns h o w st h es a n l er e s u l t ，t o o c h a p t e r5a n a l y s e sc u r r e n t - m o d ec o n t r o l l e df u l i - b r i d g ep h a s e s h i f t e d z v s p w md c d cc o n v e r t e rb yt h em e t h o dp r e s e n t e di nt h i sd i s s e r t a t i o n t h e c o n c l u s i o ni sg a i n e dt h a t t h e s l o p ec o m p e n s a t i o n i sn e c e s s i t ya n d t h e o p t i m i z a t i o nm e t h o dp r e s e n t e da b o v ei sf e a s i b l e k e yw o r d s s w i t c h i n gc o n v e r t e r c u r r e n t - m o d ec o n t r o l o p t i m i z a t i o n 西膏交通大学研究生学位论文 第1 页 第一章绪论 1 1电力电子技术的发晨与现状 1 9 4 8 年，巴丁布莱顿和肖克莱发明了晶体管，引发了一场电子工业 革命，使半导体工业、通信及信息处理、计算机技术等跨入了一个新世纪。 时隔不久，b e l l 电话公司于1 9 5 6 年发明了晶闸管( s c r ) ，随之即被通用 电气公司商业化，并在电机驱动、调速、光控、温控、高压直流输电等传 统电力工业领域内获得广泛应用。随着晶闸管及其派生出的一系列电力电 子器件不断渗透到消费电子产品、运输、国防、航空航天及传统工业、电 力系统之中，研究这类器件的开发及其在电路和系统中应用的一门崭新的 学科一电力电子学( p o w e re l e c t r o n i c s ) 产生并发展起来。 电力电子技术是一门利用电力电子器件对电能进行控制、转换和传输 的学科，也是现代电子学的一个重要分支。如果说微电子技术是信息处理 技术，那么电力电子技术就是功率处理( p o w e rp r o c e s s i n g ) 或功率变换 ( p o w e rc o n v e r s i o n ) 技术。 电力电子技术的内容包括电力电子器件、功率变换电路和控制电路三 个方面，是一门横跨电力、电子、材料和控制的边缘交叉学科。随着科学 技术的发展，电力电子技术与现代控制理论、材料科学、电机工程、计算 机科学等许多领域密切相关。目前，电力电子技术已逐步发展成为一门多 学科互相渗透的综合性学科。 1 1 i 电力电子矗件 晶闸管的出现，促成了电力电子技术的产生与发展。到了7 0 年代，传 统的电力电子器件已由普通的晶闸管派生出了快速晶闸管、逆导晶闸管 ( r c t ) 、双向晶闸管( t r i a c ) 、不对称晶闸管( a s c r ) 等器件，功率越来越 x uf u d o n i l 西南交通大学研究生学位论文 第2 页 大，性能日臻完善，技术趋于成熟。但是，由于下述缺点阻碍了晶闸管及 其派生器件的继续发展： ( 1 ) 由于是半控器件，因此要想关断这些器件，必须要有强迫换相电 路，使得整机体积增大、重量增加、效率降低、可靠性下降； ( 2 ) 工作频率较低，一般低于4 0 0 h z ，大大限制了它的应用范围； ( 3 ) 由于相控角的变化使网侧及负载上的谐波严重，不但电路功率因 数低，而且对电网产生“公害”。 从7 0 年代后期开始，可关断晶闸管( g t o ) 、电力晶体管( g t r 或b j t ) 及其模块相继实用化，在大、中容量的变流装置中，传统的s c r 逐渐被这 些新型器件取代。此后各种频率高、全控型的器件不断问世，并得到迅速 发展。这些器件有：电力场控晶体管，即电力m o s f e t ( p m o s f e t ) 、静 电感应晶体管( s i t ) 、静电感应晶闸管( s i t h ) 、m o s 控制晶体管( m g t ) 与m o s 控制晶闸管( m c t 或m c t h ) 、绝缘栅极双极晶体管( i g t 或i g b t ) 等。在电 力电子器件发展过程的曲线上，这些全控型器件正处在引入期和生长期， 发展前景十分乐观。 现代i b 力i 乜了技术传统电力咆于技术 o ：l p m 及s p l c ：1 ：p l c ；2 ：m c t ； 第三代电力也于器件第二代。乜力第一代电力电于器件 6 ：v d m o s ：7 ：g t 0 ；8 ：g t r i 电子琴一di 9 ：a s c o ：t r j a c ； 7 夕 3l l ：快速整流管：1 2 ：低频双极电力 s 6 ，7、 晶体管；1 3 ：信号晶体管； ，眇飞1 7 1 4 ：s c 5 ：普通整流管 o1 y、l 芝 1 6 ：信号二极管；1 7 ：齐纳二极管； 百面纛函矿赢鬲面磊磊 五矿一 1 8 锗管 图1 - 1 一i电力电子技术及器件的发展 问世于8 0 年代中后期的智能型功率模块( i p m - - i n t e l l i g e n tp o w e rm o d u l e ) 和智能型功率集成电路( s p i c - - - s m a r tp o w e ri c ) 是功率集成电路( p i c ) q b 的尖 端产品。i p m 能把不同功能的功率单元与驱动单元及保护单元集成一个模 块；s p i c 也能把逻辑单元、传感单元、测量单元及保护单元等与功率单元 x uf u d o n g 西南交道大学研究生学位论文 第3 页 集成一体，使它具备了相当复杂电路的功能。因此，这类功率模块和功率 集成电路的出现，预示着人类站在第二次电子学革命的边缘。 1 1 2 功率变换电路 以电力电子器件为核心，通过不同的电路拓扑和控制方式来实现对电 能的转换和控制，这就是功率变换电路。现今各种形式的功率变换器( p o w e r c o n v e r t e r s ) j id c d c 直流变换器、d c a c 逆变器、a c d c 整流器、a c a c 变频器在各类电力电子电路和系统中都扮演着主要的角色。 在各类功率变换电路中，开关型功率变换电路以其高效率、低造价、 体积小、重量轻而占据着主导地位。开关型功率变换电路的共同特点是： 通过调节其中开关元件的工作状态，以求达到要求的功率变换和一定的输 出。开关电源的主要组成部分是开关型d c d c 变换器，因为它是转换的 核心，涉及频率变换，所以这里主要介绍开关型d c d c 变换器。 一个理想的d c d c 变换器从电特性上讲就是一个可控的理想变压器， 如图1 一l 一2 所示。 幽1 - 1 2 理想d c d c 变换器 其中墨为控制信号( 导通比d 或开关频率工) ，其端口的伏安特性为： jy 。= ， 1 。古， 1 1 1 式中k 为输入电压，圪为输出电压，为输入电流，o 为输出电流。 m = m ( x 。) 为变换器的电压变比。 x uf u d o n g 西南交通大学研究生学位论文 第4 页 k 咒e 罐, , i t z v 产s 兰：鎏一“ l 准谐振变换器厂2 v 8 d c d c 变换器一l q r c 8l 。z c 8 i 多谐振变换器广z v 8 m r c s l - z c s l 软开关p w m 7 z y s 变换器l z c s j 零转换p w m厂z v - 一z e ”。v 0 “8 9 t ”“沁“ 一变换器l _ z c t 二z e r o c u r r e n t t 啪s i l i o n d c d c 变换器的基本拓扑分为隔离式和非隔离式两种。非隔离式又有 电感储能式和电容储能式两种，b u c k 、b o o s t 和b u c k b o o s t 为电感 储能式变换器；c u k 、z e t a 和s e p i c 为电容储能式变换器。隔离式主要有单 端正激变换器、单端反激变换器、推挽变换器、半桥变换器和全桥变换器。 图1 1 3 给出了上述各种变换器的原理图。 x uf u d o n g 西南交遣大学研究生学位论文 第5 页 v s 堑孓碰s c 蜘i l 2 i 。麴 正激式反激式 推挽式 叠词d il ) 。圜曲 l 呈ji 一1 - 3 各种拓扑d c d c 变换器原理图 1 1 3d c d c 变换器的麓模分析方法与仿真 在各种类型的d c d c 变换器中，p w m 型d c d c 变换器结构种类多， 发展快，技术领先，便于实现，构成了最大的一类。p w m 型d c - d c 变换 器是一个强非线性离散系统。系统主要特点如下： ( 1 ) 开关器件在一个周期中既工作在饱和区又工作在截止区，系统在 这两个时间段内都是线性的，即系统是按时间分段线性的、时变的； ( 2 ) 由于外部瞬态或持续的扰动，会引起变换器工作状态参数的非线 性变化； ( 3 ) 脉宽调制器具有饱和非线性，系统占空比有上限和下限，即 d d ( f ) d m 。，一旦达到d 。i 。或以。，d ( t ) 即保持不变： x uf u d o n g 西南交通大学研究生学位论文 第6 页 ( 4 ) 系统是离散系统，其控制部分有脉宽调制器，它在每一个开关周 期内，通过驱动器控制功率开关管通断一次，控制是不连续的。 以上特点说明，用解析的方法分析变换器动态特性较为复杂，阻碍了 对这类变换器的动态分析和设计。 设计一种控制系统，首先要明确它的控制目标，p w m 型d c d c 变换 器的控制目标如下： ( 1 ) 稳态下保证直流输出电压稳定，输出误差为零； ( 2 ) 具有低输出阻抗和低音频衰减率，瞬态响应良好： ( 3 ) 控制系统对电路参数的不确定性具有强的鲁棒性。 1 9 7 6 年，r d m i d d l e k r o o k 和s l o b o d a nc u k 在前人的基础上提出了状态 空间平均法，较好的解决了p w m 型d c d c 变换器的稳态和动态低频小 信号的分析问题，这种方法在基本假设就动信号频率比开关频率低得 多的前提下，列出开关变换器的分段线性状态方程，然后经过平均和摄动 处理，在小信号线性化的假设条件下，用线性状态方程来描述电路。这样 就可以用经典控制理论中的根轨迹法、b o d e 图、拉氏变换或z 变换等分析 线性系统的基本方法。在频域内分析、设计p w m 型d c d c 变换器。状 态空间平均模型和动态低频小信号模型是精确性和实用性的良好折衷，因 此，基于以上的控制方法的研究获得了极大的发展。此后，相继出现了具 有同样准确程度的方法，如p r k c h e a y 提出的电流注入等效电路法和 y s l e e 的y 参数等效电路法以及三端开关器件法等，也出现了一些精确 度更高的、适用于较高信号频率的方法，如f c l e e 等提出的离散平均法， 对状态进行平均处理而对输出结果进行采样离散化处理，得到了p w m 型 d c d c 变换器电路的更加精确的描述方程和等效电路形式。 但是由于系统的强非线性，上述小信号线性化模型的适用范围受到了 很大的限制，仅仅通过传统的控制方法很难进一步提高系统性能。因此， 许多控制理论研究者致力于发展更精确的非线性模型及其他高性能控制 器。近年来，s i r a - r a m i r e z 等人应用控制理论研究的新成果在这方面作了许 x uf u d o n g 西南交遁大学研究生学位论文 第7 页 多有益的探讨。如在d c d c 变换器控制方法的研究中引入双线性理论、 滑模变结构控制、自适应控制、鲁棒控制和智能控制等。 随着计算机在科学计算和工程设计中的广泛应用，机辅技术，包括数 值仿真和优化设计，在电力电子系统的分析与设计中发挥着越来越重要的 作用。 m a t l a b 是一种高级的数学分析与计算软件，可用作动态系统的建模与 分析。在电力电子系统的分析与设计中可以利用m a t l a b 进行小信号模型仿 真，还可以利用其工具箱( t o o l b o x ) 进行工程优化设计。p s p i c e 是一种通 用集成电路计算机分析软件，可用来对各种开关变换器和开关电源进行仿 真分析，为调整设计参数和系统补偿参数提供依据，也可以对优化设计的 结果进行检验。p s i m 是主要针对电力电子系统和电机控制的仿真软件，可 以对各种功率变换电路进行仿真，具有速度快、操作简单等特点。 1 1 4 开关电源常用的控制方法 在d c d c 变换器的基础上加上输出电压反馈，形成闭环控制，以稳定 输出，便构成了开关电源( p o w e rs w i t c h i n gs u p p l y ) 。开关电源由功率变换 电路和控制电路两部分组成。 开关电源比较适用的传统控制方法主要是恒频脉宽调制( p w m ) ，其 中又有电压型控制、峰值电流控制和平均电流控制之分，且有各自较为成 熟的专用控制芯片，例如s g 3 5 2 5 ( 电压型控制) 、u c 3 8 4 2 ( 单端峰值电流) 、 u c 3 8 4 6 ( 双端峰值电流) 、u c 3 8 4 8 ( 平均电流控制) 等。理论和实践均证 明，电流型控制比电压型控制优越。 此外，最近又提出了一种新的控制方式_ v 2 控制。图l 一1 4 给出了 v 2 控制的基本原理图，主电路采用单端正激变换器，控制回路包括内外两 个闭环，其中外环实现输出电压的检测与误差放大，内环采样输出电压纹 波以提供比较器的斜坡输入信号。由于控制回路包括两个电压环，故称为 v 2 控制。 x uf u d o n g 西南交通大学研究生学位论文 第8 页 图1 - 1 4v 2 控制的基本原理图 1 2 本文的主要工作 本文主要的目的是：在分析、研究电流型控制方法的基础上，建立电 流型控制开关变换器统一的小信号传递函数模型，采用动态规划方法对系 统的补偿网络进行优化设计，并且将以上方法应用于电流型控制的全桥移 相z v s ，p w md c d c 变换器的分析。 本文的结构是按照以下思路安排的： 首先，较为深入地研究、分析了电流型控制方法及其相关的一些问 题，如峰值电流与平均电流的误差、系统开环不稳定、次谐波振荡、 斜坡补偿以及变压器磁通平衡等。 在理论分析的基础上，介绍采用电流型控制方案的反激式开关电源 的设计和实现方法，包括反激式开关电源变压器设计、斜坡补偿实 现、r - c 滤波电路等方面的内容。 基于开关变换器稳态及动态低频小信号模型，考虑采用斜坡补偿的 情况，提出一种电流型控制开关变换器统一的小信号传递函数模 型，依据该模型，利用动态规划方法对电流型控制开关电源的补偿 网络进行优化设计，并对优化结果进行仿真分析。 x uf u d o n g 西南交通大学研究生学位论文 第9 页 最后，将以上分析和优化方法拓展到采用电流型控制的全桥移相 z v s p w md c d c 变换器，得出斜坡补偿对f b p sz v s p w md c d c 变换器同样必要、动态优化设计方法同样可行的结论。 x uf u d o n g 西南交通大学研究生学位论文 第l o 页 第二章p w m 型d c d c 变换器电流型控制研究 2 1 引言 非谐振型d c d c 变换器的控制方式可以分为脉冲宽度调制( p u l s e w i d t hm o d u l a t i o n - - p w m ) 、脉冲频率调制( p u l s ef r e q u e n c ym o d u l a t i o n - - p f m ) 、p w m 和p f m 混合调制三类。其中常用的传统控制方式是恒频脉 冲宽度调制。 p w m 型d c d c 变换器通常需要对被控输出变量采用闭环控制，以使 变换器对输入电压变化或输出负载电流变化能及时调节，并具有期望的动 态响应。 传统的p w m 型d c d c 变换器常采用电压型控制。电压型控制只对输 出电压采样，并作为反馈信号实现闭环控制，以稳定输出电压。在其控制 过程中，电源电路中的电感电流未参与控制，是独立变量，开关变换器为 二阶系统。有两个状态变量，即输出滤波电容的电压和输出滤波电感的电 流。我们知道，二阶系统是一个有条件的稳定系统，只有对控制电路进行 精心设计和计算，满足一定条件，才能使系统稳定工作。由于开关电源的 电流都要流经电感，将使滤波电容上的电压信号对电流信号产生9 0 。延 迟。因此，仅采用采样输出电压的办法，其响应速度慢，稳定性差，甚至 在大信号扰动时会产生振荡，从而损坏功率器件。 电流型控制方法正是针对电压型控制的缺点发展起来的。它增加了电 流反馈环，电感电流不再是一个独立变量，从而使开关变换器成为一个一 阶无条件的稳定系统，它只有单个极点和9 0 0 相位滞后，因而很容易不受 约束地得到大的开环增益和完善的小信号、大信号特性。 2 2 两种控制模式的基本原理 x uf u d o n g 西南交通大学研究生学位论文 第1 l 页 电压型控制的基本原理如图2 - 2 一l 所示。控制电路包括采样电路、参 图2 - 2 1电压型控制原理图 考电压、误差放大器( 或有源补偿网络) 、脉宽调制器( p w m ) 、时钟信号 ( c l o c k ) 、以及驱动电路。输出电压圪经采样电路采样后，与参考电压 吃，比较，经误差放大器放大，又经p w m 比较器比较，由锁存器输出占空 比随误差电压信号变化的脉冲序列d ( t ) ，实现电压负反馈闭环控制。 电流型控制( c u r r e n t m o d ec o n t r 0 1 ) 的基本原理如图2 2 2 所示，输 出电压v o 经采样电路采样后，与参考电压比较，经误差放大器放大后 得到误差电压矿，由恒频时钟脉冲置位锁存器输出驱动脉冲，使功率开关 管导通，因为输出电感的作用，使脉冲电流逐渐增大。当电流在采样电阻 r ，上获得的电压屹幅值达到屹时，p w m 比较器的状态反转，锁存器复位， 输出脉冲截止，功率开关管关断，电路逐个地检测和调节电流脉冲，控制 开关电源的输出。 针对电压型控制的缺点，电流型控制增加了一个电感电流反馈，而且 这个电流反馈就作为p w m 的斜坡函数，从而不再需要锯齿波( 或三角波) x ul d o n z 西南交通大学研究生学位论文 第1 2 页 图2 2 2 电流型控制原理图 发生器，而更重要的是在于引入了电感电流反馈使系统的性能具有明显的 优越性。由于反馈电感电流的变化率矾出直接跟随输入电压和输出电压的 变化而变化，电感电流的平均值正比于负载电流。电压反馈回路中，误差 放大器的输出作为电流给定信号，与反馈的电感电流比较，直接控制占空 比，使功率开关管的峰值电流受电流给定信号的控制。 2 3 电流型控制与电压型控制的比较 通过对两种控制模式原理的介绍，电流型控制与电压型控制可作如下 比较： 2 3 1 电压型控制 电压型控制的优点是： 单环反馈设计分析比较容易： p w m 比较器的输入锯齿波振幅比较大，因此有比较强的抗噪声干扰 能力： 输出阻抗低，因此在多路输出时，可以保证每一路输出都有良好的 x uf u d o n g 西南交通大学研究生学位论文 第1 3 页 调节性能。 电压型控制的缺点是： 任何输入电压变化或输出负载变化都必须等到使输出电压发生变 化，然后反馈环节才能调节，这意味着动态响应速度比较慢； 输出滤波器对控制环增加了两个极点，因此，误差放大器需要增加 一个零点补偿； 由于环路增益随输入电压变化而变化，因而补偿网络设计难以优化； 在需要多台变换器并联运行时，必须另外专门设计一个负载分配装 置，灵活性和可靠性难以令人满意。 2 3 2 电流型控制 电流型控制的优点是： 系统具有良好的线性调整率和快速的输入输出动态响应。无论是输 入电压的变化，还是由于负载变化引起的输出电压的变化，都将引起电感 电流变化率的改变，使功率开关管开通或关闭的时刻发生变化，从而控制 功率开关管的占空比。这对于输入电压的变化而言，实际上是起了前馈控 制作用，即输入电压变化尚未引起输出电压变化，就由内环( 电流控制环) 产生了调节作用。由于电流控制内环具有快速的响应，从分析整个系统的 瞬态响应可以看出，对于电压反馈外环而言，电流控制内环相当于一个受 控放大器，外环的瞬态响应速度仅决定于滤波电容的负载性质，所以整个 系统具有快速的输入输出动态响应。 消除了滤波电感带来的极点和系统的二阶特性，使系统不存在有条 件的环路稳定性问题，具有最佳的大信号特性。电流控制内环是一个稳定 的自激振荡系统，当r s i 。小于u 时，功率开关管导通，当r 。i 。达到v 。时， 功率开关管关断，说明电流控制内环具有高度的稳定性。对整个系统而言， 由于峰值开关电流由误差放大器的输出v 。控制，平均电感电流仅随误差信 号v 。的变化而变化，因此电感可相当于一个电流源，这样，电感电流不再 x uy u d o n g 西南交通大学研究生学位论文 第1 4 页 是。个独立的变量，二阶环节的输 j j 滤波器( l c ) 降低为一阶环节( c ) ， 整个系统成为个一阶无条件的稳定系统，所以具有高度的稳定性。 输 j 电压稳态精度高。由于系统内在的快速响应及高度的稳定性， 所以反馈回路的增益可以比一般p w m 系统的回路增益高得多，不致造成 稳定性与回路增益之间的矛盾，从而使输出电压具有很高的稳念精度。 ( 1 ) 电流型控制( 2 ) 电压型控制 ( t = 02 m s d i v5 0 m v d i v ) 图2 - 3 2 负载阶跃变化时的输出响应 具有内在的对功率开关管电流的控制及限流能力，简化了过流保护 和短路保护。在电流型控制p w md c d c 变换器中由于电流内环采用了直 接的电感电流峰值检测技术，流过功率开关管的峰值电流直接受误差放大 x uf u r l o n g 西南交通大学研究生学位论文 第1 5 页 器输出的电流给定信号所控制，可以及时、灵敏、准确地检测变压器、功 率开关管或输出的瞬态电流值，自然形成了逐个脉冲电流检测电路。只要 给定或限制参考电流信号，就可以准确限制流过功率开关管和变压器的最 大电流，从而在发生意外导致输出过载或短路时保护了功率开关管和变压 器。使系统具有自动的限流和短路保护能力。 具有良好的并联运行能力。由于电流内环具有逐个脉冲电流限制作 用，当多个电流型控制变换器并联时，每个变换器有独立的电流负反馈， 并联输出电压有一个总的电压负反馈控制电路，其误差放大器的输出加至 各变换器电流内环比较器的输入端，从而使各个变换器的电流反馈系统有 相同的参考电流值。这样就可以实现多个变换器之间负载的自动分配，而 不需要其它的均流措施。 图2 3 1 、图2 3 2 分别为文献5 b 中提供的功率级相同，输入电压 和输出负载为阶跃变化时电流型控制和电压型控制的输出响应波形。 电流型控制的缺点是： 需要双环控制，增加了电路设计和分析的难度： 在一定条件下存在抗干扰能力差的问题。电流型控制通过比较电感 电流上升斜率和由电压外环确定的电流给定信号来决定功率开关管的导通 与关断。在没有斜坡补偿的情况下，如果电感电流上升斜率不够大，占空 比大于5 0 ，意外的扰动将会发散，造成系统的不稳定。 因为控制信号与功率开关管电流有关，因此，功率级电路的振荡会 给控制环带来噪声； 因控制环控制电流，使负载调整率变差，在多路输出时，需要耦合 电感实现交互调节； 电感峰值电流与平均电流有误差。电流型控制是对电感电流峰值的 跟踪控制，因此，平均值与峰值之间存在误差。在b u c k 电路中，通常电 感电流脉动与满载时负载电流相比很小，这个误差并不会引起很大的问题。 但在b o o s t 功率因数调节电路中，如果采用电流型控制，则电感电流峰 x uf u d o n g 西南交通大学研究生学位论文 第1 6 页 值跟随给定的j 下弦波电流，而电感平均电流并不是f 弦波，在电感小时， 此问题更加严重。为了减小平均值峰值误差，就需要大的电感，这又会使 抗干扰能力变差。 2 3 3 变压器磁通平衡问题 在属于双端电路的变压器耦合的推挽电路中，功率丌关管的导通压降 和存储时阳j 的不同都会造成电压波形的不对称，从而使直流电流流经变压 器初级导致偏磁。这个偏磁随时间的积累会引起变压器饱和。在电压型控 制变换器中，虽然偏磁电流在线路中总的压降会抵消一部分偏磁现象，但 一般不足以全部克服，而电流型控制却可以自动地解决磁通的不平衡问题。 这是因为电流内环能使脉冲电流宽度不同但幅值肯定相同，而脉宽的不刚 则u r 以有效地抵消电压波形的不对称。 ( 1 ) 电流型控制( 2 ) 电压型控制 n = 5ps d i v 0 2 a d i v ) 图2 - 3 3开关电流波形显示磁通平衡情况 但是，在同属于双端电路的变压器耦合的半桥电路中，由于变压器初 级的一端与电压可以浮动的电容性电压分配器中点相连，电流型控制产生 的脉冲电流宽度不同而幅值相同现象会造成安秒的不对称，电容性电压分 配器的电压分配点将向一个方向移动，移动的结果是又会造成伏秒不对称， 再次调整的结果又会使电容性电压分配器的电压分配点向进一步的安秒不 x uf u d o n g 西南交通大学研究生学位论文 第1 7 页 对称方向移动。于是恶性循环，电路失控，直至电压分配器中点移向源电 压的一个极值。 而电压型控制的变换器则没有半桥失控的问题。不过，在全桥电路中， 由于没有可以浮动的电压分配器，电流型控制的优点又可以得以充分体现。 图2 3 3 为功率级相同( 推挽式变换器) 的电流型控制和电压型控制 变换器中开关电流的波形k 5 口。由图2 3 3 可见，电流型控制变换器的两 相开关电流几乎完全相同，而电压型控制的两相开关电流则有明显的不同。 2 3 4 其它 在升压和反激电路中，当电感电流连续时，负载电流等于整流二极管 平均电流i 。，不等于电感的平均电流。i 。是输入电压的直接函数，因此电 流型控制变换器的开环线性调整率很差，但可以通过在电流环控制中增加 一适当的输入电压前馈得以解决。 另外，在电感电流非连续的各种电路中，每个开关周期由连续时的两 种状态变为三种状态，因此在连续运行时遇到的问题在非连续时不会出现。 同样，在电流型控制中电感电流连续时的许多优点在非连续时也无法体现。 不过，在电流非连续的情况下，电流型控制电路也可以通过其固有的前馈 特性得到良好的开环线性调整率，这也是电压型控制所不具备的优点。 2 4电流型控制的斜坡补偿分析 随着电流型控制集成控制器的出现，电流型控制技术越来越多地被应 用于实际的设计当中。虽然电流型控制较之电压型控制有许多优点，但是， 正如上节所述，对固定频率、峰值电流检测的变换器而言，电流型控制仍 然存在着一些不足。我们可以通过在电流波形上增加一定的斜坡补偿，对 一些不足加以克服，如图2 - 4 1 所示。 事实上，在实际的变换器中，增加了斜坡补偿以后，几乎总能改善系 x uf u d o n g 西南交通大学研究生学位论文 第1 8 页 统的性能。 图2 4 - 1具有斜坡补偿的电流型控制b u c k 变换 下面分别针对峰值电流与平均电流之间的误差、系统开环不稳定、次 谐波振荡三个方面的问题分析斜坡补偿的必要性及其作用。 2 4 1 峰值电流与平均电流之间存在误差 电流型控制通过电流内环，调节的是电感电流峰值。但是，在电感电 流连续的情况下，b u c k 系列( 包括单端正激、推挽、全桥和半桥) 变换 器中，输出电流是包括直流分量和交流分量在内的电感电流平均值。在变 换器的调节过程中，电源的输出电压和电感是恒定的，因此，圪儿和d i d t 也是恒定的，其中巧一输出电压，一副边电感。 以b u c k 型变换器为例： 电感电流连续时在输入输出不变的前提下，当开关管导通时。如图 2 - 4 2 所示，电感电流线性上升，此时有： 丝：! 型量2 4 1 d l t 三 x uf u d o n s 西膏交逼大学研究生学位论文 第1 9 页 式中 a i l 电感电流增量( a ) ； 瀚入电压( v ) ： 圪端出电压( v ) ； 三电感( h ) ： c 开关周期( s ) ； d ，开关导通占空比。 v 0 l l 0 v l 0 - - 1 u 叫。广 m 2 墨主型十 图2 - 4 2电流型控制b u c k 变换器相关波形 当开关管关断时，如图2 - 4 2 所示，电感电流线性下降，此时有： 垒量：生 d 2 t 三 式中 屯：电感电流增量( a ) ； d ：开关关断占空比。 2 4 2 x uf u d o n l l 西南交通大学研究生学位论文 第2 0 页 由于稳态时电感电流增量屯i 与2 相等，即a i 。= a i l 2 半d l t = 睾d 2 t三 13 三 。 又d l + d 2 = 1 ，整理得 d l - 告 即d 。可以表示为l 的函数。 2 4 3 2 4 4 另外，电感电流的增量t 可以写成 a i ：堡( 1 一mtd2d 245 = ( 1 一。) t 即f 。可以表示成d 。的函数。 由以上分析可以看出，当输入电压以增大时，开关的导通占空比d 。将 减小，电感电流的增量将增大，在误差电压k 一定的情况下，平均电流i 将减小。 ( 1 ) 无斜坡补偿时，电感 电流随占空比变化 ( 2 ) 有斜坡补偿时，电感 电流不随占空比变化 图2 - 4 3占空比变化时电感电流平均值的变化 x uf u d o n g 西南交通大学研究生学位论文 第2 1 页 由以上推导可以看出，当输入电压k 取最大值时，功率开关管的导通 占空比d l l 取最小值，如图2 _ 4 3 ( 1 ) 所示，电感电流增量屯l 取最大值 平均电流，。取最小值。当输入电压k 减小到最小值时，功率开关管的导通 占空比d 1 2 取最大值，如图所示，此时电感电流增量a i l 2 取最小值，平均 电流，取最大值。可见，通过调整输入电压一，不同的占空比d l l 和d 1 2 将 产生不同的输出平均电流，和，：，也就是说，当原边峰值电流与一个固定 的误差放大器输出信号比较时，输出平均电流随占空比增加，不能保持输 出平均电流的恒定。 为了保持输出平均电流不随占空比变化，需要一个补偿斜坡。可以认 为f 。( 或d ) 是误差电压屹的函数，减小误差电压t 将很快地限制脉冲宽 度。所以，如果在p w m 比较器的原边检测电流上增加一个斜坡补偿( 相 1 当于误差电压减去一个斜坡) ，并使其斜率等于- z m ：( m 2 为电感电流的下 降斜率) ，如图2 - 4 3 ( 2 ) 所示。此时电感电流平均值不再随占空比变化， 而保持恒定。 2 4 2电压反馈开环时系统不稳定的情况 对于任何固定频率的电流型控制变换器，当占空比超过5 0 时，不论 电压反馈外环的状态如何，电流内环都是不稳定的。除去一些拓扑形式( 如 双管正激) 根本无法工作在占空比超过5 0 的情况外，而对许多其它的拓 扑，由于占空比不能取得很大，对输入电压的限制就变得很严格。通过加 入斜坡补偿，对于任何占空比，系统都可以稳定工作。 图2 一- 4 中表示的是电流型控制变换器电感电流f 。的波形，f ：受到误 x uf u d o n 西南交通大学研究生学位论文 第2 2 页 差电压t 的控制。假定误差电压吒保持恒定。如果在电感电流i 。上加一个 a 1 占空比( 0 5 b ) 占空比 0 5 墨一 c ) 占空比 0 5 斜坡补偿 图2 - 4 4电压反馈开环时电感电流波形 扰动，如图所示，当占空比d o 5 ( 图b ) 时，将逐渐增大，的数学表达式如下： “= 一“旦 冲l 此时，我们如图c 所示引入一个斜坡补偿， 于是，有 2 4 6 从误差电压减去这个补偿斜坡。 “：一“竺出 2 4 7 m + m 由于要使系统在任何占空比都能稳定工作，必须满足a ，。 一三m ，2 4 8 2 。 所以，为了保证电流内环的稳定，补偿斜坡的斜率必须大于电感电流波形 下斜坡斜率的一半。 2 4 3 次谐波振荡 开环增益增大会使系统趋于不稳定。当增益增大到一定程度，意外的 扰动会引起反馈电压波动，从而引起次谐波振荡。发生次谐波振荡时电感 电流波形如图2 - 4 5 中虚线所示。 o 图2 - 4 5 发生次谐波振荡时电感电流波形 由图2 - 4 5 有下关系式： l = d 坍l i 一d 脚2 c 屹= d m l t + a d m 2 t 增加斜坡补偿以后，如图2 _ 4 6 所示，有 t = 砌疋+ a d m t 一( - 砌2 t 一砌e ) = a 屹+ 2 a d m 由式2 4 1 0 式2 4 1 2 ，可得 2 4 1 0 2 4 1 1 2 4 1 2 x uf u d o n g 西南交通大学研究生学位论文 第2 4 页 盟：竺! 二垡 屹所l + m 2 + 2 m 由于在稳定状态时，有d ：二旦 珊l 一朋2 l l v 。 0 2 4 1 3 2 4 1 4 枞筹。蹶1 2 4 1 5 因为可以将。简单地看成是周期是2 t 的方波，由傅立叶变换可知， 该方波基波分量的幅值为方波幅值的! 倍，而在各次谐波中，基波幅值是 最大的，所以在振荡频率厂= i 1 正时，有 善：掣l 2 4 1 6 t 。( + ：) “ 假设输出为容性负载，并且设误差放大器的增益为a ，则频率厂：三六 = 2 4 1 7 x uf u d o n g 西南交通大学研究生学位论文 第2 5 页 由式2 4 1 7 可以得到保证系统稳定的误差放大器增益最大值 彳。：1 - 2 瓦d 0 厂+ , 哆一m , ) 。 7 矿c 图2 - 4 7m 取不同值时，误差放大器增益最大值与占空比的关系 可见，a 一是占空比和补偿斜坡斜率的函数。由图2 - 4 7 可以看出： 在没有斜坡补偿，即聊= 0 的情况下，当占空比d o 5 时，系统不稳定； 1 在m = 一肌，的情况下，占空比d = 1 时系统仍然稳定，但在实际系统中， 2 由于误差放大器增益不可能取得很小，所以如果希望系统在满开通时也能 1 稳定工作，则埘应取得大于当卅，。 2 2 4 4 斜坡补偿的电路实现 在实际应用中，许多性能优良的电流型集成控制器( 如u c 3 8 4 6 、u c 3 8 4 2 等) 的出现，使得电流型控制变换器的设计变得简单。以u c 3 8 4 6 为例， 该集成控制器具有实现固定频率电流型控制变换器所需要的全部功能。 u c 3 8 4 6 的功能框图如图2 - 4 8 所示。它的主要特点是：自动前馈补偿、 可编程逐个脉冲电流限制、1 带隙5 1 v 基准、欠压锁定、外