（电力电子与电力传动专业论文）基于无传感器电流控制技术的反激型开关电源的研究.pdf

兰童些三查兰三兰堡圭兰丝丝兰 a b s t r a c t a m o n gt h el o w p r i c ep o w e rs u p p l i e sw h o s eo u t p u tp o w e ri s b e l o w2 0 0 w a t t ，m o s to f t h e mu s er e s i s t o r s a sc u r r e n t s e n s i n gc o m p o n e n t s ，b e c a u s e r e s i s t o ri sas i m p l el o w c o s tp a s s i v ed e v i c e ，w h i c hi sf i tf o ro p e r a t i o ni nh i g h t e m p e r a t u r ee n v i r o n m e n t t h er e l i a b i l i t ya n dp r i c ea r ep e r f e c ta sl o n ga st h e p o w e rv a l u ei sc h o s e nc o r r e c t l y ，b u tt h ep o w e rc o n s u m p t i o ni s ab a s i cp r o b l e m h o w e v e r ，t h ec o s tp r o p o r t i o no fc u r r e n ts e n s i n gc o m p o n e n t si sg e t t i n gh i g h e r f o rt h eh i g h p o w e rs w i t c h i n gp o w e rs u p p l y ，w h i c ht h r o w sp r e s s u r et ot h ec o s t o fp r o d u c t s s e n s o r l e s st e c h n i q u eu s i n gs m a l ls i g n a lc i r c u i tw i t hl o wc o s tc a n c o m p l e t et h es a m ef u n c t i o n t h e r e f o r e ，w i t ht h eu s eo fi t ，e i t h e ri s t h ep o w e r s u p p l y sv o l u m ed e c r e a s e db yr e d u c i n gt h ep o w e rc o n s u m p t i o ni ns o m ed e g r e e ， o ri st h ep o w e rs u p p l y sc o s tr e d u c e d t h i sd i s s e r t a t i o nc h o s et h ef l y b a c kc o n v e r t e ra st h eb a s i cc i r c u i tt o p o l o g y ； i t i n v e s t i g a t e dt h ec u r r e n ts e n s o r l e s sd e t e c t i n gt e c h n i q u e sa p p l i c a t i o ni n t ot h e s w i t c h i n gp o w e rs u p p l y f i r s t l y ，i ti n t r o d u c e dt h et h e o r y ，p r o p e r t i e so f c u r r e n t c o n t r o lt e c h n i q u ea n dt h eg e n e r a lc u r r e n td e t e c t i n gm e t h o d t h e ns m a l ls i g n a l a n a l y s i so ft h ef l y b a c kc o n v e r t e rw a sc a r r i e do u ti nc c m a n dd c m ，a n dt h e t r a n s f e rf u n c t i o n so fs m a l ld y n a m i cl o w f r e q u e n c ys i g n a l s o ft h e f l y b a c k c o n v e r t e ri nc c ma n dd c m w e r ed e v e l o p e d t h i sd i s s e r t a t i o n p r o p o s e d t h em e t h o dt h a tt h ec u r r e n ts e n s o r l e s s d e t e c t i n gt e c h n i q u ed i s p l a c e dc o m m o n r e s i s t i v e s e n s i n gt e c h n i q u e b a s e do n t h ec h a r a c t e r i s t i c so fc u r r e n ts e n s i n g i nt h ec o m m o nc u r r e n t c o n t r o l l i n g f l y b a c ks w i t c h i n gp o w e rs u p p l y i ts t u d i e dt h et h e o r y a n dt h ed e s i g nr u l e so f k e yp a r a m e t e r s i nc u r r e n ts e n s o r l e s sd e t e c t i n gm o d u l a rc i r c u i tu s e di n t h e f l y b a c ks w i t c h i n gp o w e rs u p p l y a f t e r t h et h e o r e t i c a l a n a l y s i s ，t w of l y b a c k s w i t c h i n gp o w e rs u p p l i e s w e r ef a b r i c a t e d 一t h e f l y b a c ks w i t c h i n gp o w e r s u p p l y w i t hr e s i s t i v e s e n s i n gt e c h n i q u e a n dt h a tw i t hs e n s o r l e s s d e t e c t i n g t e c h n i q u e ，a tl a s t ，i ta n a l y z e da n dc o m p a r e dt h ep r o p e r t i e s o ft h et w op o w e r s u p p l i e s ，t h e ne x a m i n e d t h ef e a s i b i l i t yo ft h em e t h o dp r o p o s e d ， k e yw o r d s ：f l y b a c kc o n v e r t e r ，c u r r e n tc o n t r o lt e c h n i q u e ，r e s i s t i v es e n s i n g ， c u r r e n ts e n s o r l e s sd e t e c t i n g 华南理工大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的揩导下独立进行研 究所取得豁研究成巢。除了文中特别加以标注弓| 魇瀚内容外，本论文 不包含任何其他个人藏集体已经发表或撰写的成果 乍晶。对本文的研 究做出煎要贡献的个人和熊体，均已在文中以明确方式标明。本人完 全意谈剿本声躜的法律后巢盎本人承担。 俸簧签名：垫莓 疆矮：蛾年罗露迥黧 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定， 潜意学校傈罄并岛鹫褰有关豁f 1 戎极梭送交论文的复印 牛帮瞧子版， 允许论文被查阅和借阅。本人授权华南避工大学可以将本学位论文的 全部或郝分泰容缡入有关数据痒进行检索，可以采雳影印、缩印或扫 描等复制手段僳存和汇编本学位论文。 保密口，在华解密螽适淆本授权书。 本学位论文属予 不保密d 。 ( 诸在以上福应方框痰打“4 ”) 侔者签名： 导掰签名： 岛薹 诫乏确 器裳；撼荦歹胄警器 星期：坤j 年岁月罐g 第一章绪论 。 弓| 塞 第一章绪论 近年柬，电力电子变换器广泛应慝于飞枧、导弹、鼹艇、王、监羧钱系统、微 型计算机、家用电器等领域，正朝高功率密度、高变换效率、高可靠性、无污染 的方向发展。各炎电力泡子变换器均需要枫内稳压电源，并要求枧瞧稳压惫源具 有功率密度高、变换效率高、静态精度高和动态响应速度快落优点。因此，寻求 高性能的机内稳压电源怒电力电子技术重要的研究内容。 开关电源逶一种采用开关方式控制的直流稳定电源，它以小型、轻量和高效 率的特点被广泛应用于番种终端设备、通信设罄等几乎所有的电子设备中，是当 今电子信怠产韭飞速发鼹不可缺少的一秤电源方式。雨当把开关电源的研究扩大 到可调高电压、大电流时，以及将研究新技术应用于d c a c 变换器，即开拓了 大功率应爝领域，又使开关电源的应焉范围扩大到了扶发电厂设备至家用电器的 所有应用电力、电子技术的电气工程领域。作为节能、节材、自动化、智能化、 撬电一侮事艺静基旗的开关电源，它静产晶震魂了广溺的市场翁景。铡如，发电厂 的贮能发电设备、直流输电系统、动态无功补偿、机率牵引、交直流电机传动、 不箨亳奄源、汽车毫子纯、态藏感应麴熬设鍪瑷及毫挠、遥添、办公鑫动讫设备 等 2 1 。 1 2 开关电源的发展趋势 1 2 ，1 并关毫滁的起源与发褒 1 9 5 5 年美匿孝萼学家罗耶( g ，鞋r o y e r ) 营宠霹制成功了铡鼹磁蕊豹德葶彗寒进 行自激振荡的晶体管直流变换器。此后，利用运一技术的各种形式的晶体管齑流 变换器不凝出现，从藤取l 弋了早麓采用鲍可靠瞧差、转换效攀低下黪旋转式穗凝 械振子式换流设备。由于设备和工艺落后的原因，当时还不能制作出开关速度 快、耐压藤、功率大的晶体管，曝此该时期的蠢流交换器只能采用低愿簸入。 6 0 年代末，耐高压的晶体管出现了，从此直流变换器可以直接由市电经整 流、滤波詹输入，不再需要笨重的工频变压器降压了。至此拜关电源瓣体积鞭重 量丈为减小，效率得以较大的提高h 。 7 0 年代以后，与这种技术棚关的离频高压鲍功率晶体鸶、高频魄容、开关 二缀管、变压器铁芯等器件不断渡研制生产出来，使得开关稳压电源得到了很快 华南理工大学工学硕士学位论文 的发展，并且被广泛应用于电子计算机、通信、航空、航天、家用电器等领域 内。 为了在体税上能使电源跟上日益缩小的各种电子仪器仪表、通信设备、家用 电器等发展趋势，使两者达到和谐共容，人们对开关电源的研究趋之若鹜，从而 使近十凡年来歼关电源市场蓬勃发震怒来。 。2 。2 霸羲蚕陵麓滴题 随着半导体技术的和微电子技术的赢速发展，集成度藏、功能强鸵大掇模集 成电路的不断出现，使得电子设备的体积和蒸量不断下降，这就餮求有效率更 高、体积更小、重量更轻的开关电源，使之熊满足电子设备的日懿微小化的需 簧。这就是开关电源面稿的第一个闯题。 开关电源的效率与开关管的开关速度成正比的，要进一步提高开关电源的效 率，就要德一步疆高电源的工作频率。但随着频率的提高，对整个电路中元器件 又有了新的要求。进一步研制生产出适合于更高频率的开关篱、高频电容、高效 交压器、储能电慧等元嚣锌，慧开关电源面旗的第二个润题。 在开芙电源中，由于功率开关管工作在高速开关状态，当开关速度进一步提 赢看，会受囊电路孛分柱电感、分寿奄容豹影稚丽产生更大豹噪声，萁交变电压 和电流会通过电路中的元器件产生很强的尖峰干扰和谐波干扰，从而污染市电电 潮，影璃邻近豹旗子仅器与设餐的正常工作。电磁兼容阉题怒开关魄源嚣狯的第 三个问题。抑制开关电源的e m i ，实现电网绿色化，将是2 l 世纪开关电源类电力 毫予成套装置维f 。应震中必先辫决戆。 i 。2 3 并荚电源的分类 从广义上讲，开关电源是指采用p w m 控制方式的供电装霞，包括a c d c 变 换器、d c d c 交羧器、邋交器、充亳器帮u p s 电源等。吾静开关魄源装置在不 同的应用领域，适应不同应用对象的过程中得到不断的发展。严格讲，很难用一 静绞一豹褥准薅獒送行糖蚕分类。本文掰奔绍翡开关魄添是攒开关式蓬滚供电装 置，包括a c d c 变换器、d c d c 转换器。按照不同的标准，开关电源的分类方 法绞多，主要分类毒懿下尼耱融l ： ( 1 ) 按调制方式分 稼宽溺裁型( p w m ) ：摄荡频率僳掺不变，逶过羧变辣洚宽度采改变懿调节 输出电压的大小。通过取样电路，耦合电路等构成反馈闭合回路，来稳定输出电 乐。 第一荜绪论 频率溺制型( p f m ) ；占空眈保持不变或关断时间保持不变，通过改变振荡 嚣的频率来稳定并调节输出电压的幅度。 混和满翩型：通过调节导通脉冲时润和穰荡频率来完成稳定并调节输出电压 幅度的目的。 逶鬻袋用静燕辣宽诫髑墼张混合谰稍两种调制方式。在脉宽调制中因为频率 不变，所以不仅跗电路中的磁元件及开关管的设计和测试都缀方便，丽且对射频 予援戆翔涮连穗对比较容爨。混褥调隶剿困线潞琵较简单，墩得笺蹴较广泛的应 用。相对而言，频率调制较少采用。 ( 2 ) 按控戮方式稍劳 电压控制型：反馈回路中提取输出端的电压作为反馈信号。 篷夔控餐墼：程强爱菠整秘，不簌提取输爨薅毫愿律为爱馈蓓学，雨量还另 外构成一个以电流为控制信号的内环反馈回路。 还霹激接激巅方式戴分麦穗激或黎蠡激式；按瞎熊毫惑与受载翰连接方式势 为串联型和并联型。 1 2 ，4 开关电源新产懿的发麟趋势 奎翦，开关窀深薪技毒产鑫芷在秘黻下“鼹诧”静方蠢笈震：巍鼹鼓寒瀚高 频化；硬件结构的模块化；软件控制的数字化；产品性能的绿色化。由此，新一 投开美毫滚产品瓣接拳食整大大箍毫，使之更秘可靠、成熬、经济、窦霞瑙。 1 高频化 疆谂分橱彝实践经验表臻，憩气产菇戆体积重量照巽禊奄频率簿平方蔽贼反 比地减小。所以当我们把频率从工频5 0 h z 提高剐2 0 0 k h z ，提高4 0 0 0 倍的话，用 宅设备懿铬粳重爨大俸下簿至王频设计辩l ，5 辫0 镰。这歪跫开关亳源耨技术褥 以实现功率变频而带来明塌效益的根本原因。 出于开关邀滚器馋王 睾频零土缀瓣逐步挺离，篷馒诲多深亲果臻鲢传统熬 中、高频设备小型化，带来显著节能、节水、节约材料的经济效益，熙可体现技 术含量的价瞧了。 2 模块化 常见的模块，岔毒一攀元，联单元，六攀元，以至七肇元，售撂开关嚣传耪与之 爱并联的续流二掇管，实质上都属于“标准”功率模块( s p m ) 。近年，有些公司 把开关器件的驱动保护电路也装烈功率模块中去，掏残了“鬻麓化”功率模块 ( i p 瓣) ，这群缩，j 、了整机的体积，方便了整杌设计和制造。实际上，由于频率的 不断提高，被使引线寄生电感、寄生电容的影嗽愈加严蓬，对嚣 孛造成更大蟾逛 瘟力表魂为避电糕、过魄流毛刺) 。为了提高系统的可靠性，有些制造商开发 华南理工大学工学硕士学位论文 了“用户专用”功率模块( a s p m ) ，它把一台整机的几乎所有硬件都以芯片的形式 安装到一个模块中，使元器件间不再有传统的引线相连，这样的模块经过严格、 合理豹、热、电、祝械方面的设计，达到优化完善的境地。它类似于微处理器芯 片，再把整个模块固定在相应的型材敬热器上，就梅成一螽薮型的开关电源装 踅。由魏可觅，模块亿的目的不仅在于使增方便，缩小整机体积，更重要的是取 消传统遴线，减少寄生参数，从而把器件承受的电应力降至最低，提高了系统的 磊靠洼。 3 数字化 在僚统开关电源按术中，控籁部分是按模叛式信号来设计和工 乍的。在六七 十年代，开关电源技术完全是建立在模拟电路基础之上的。但是现在数字式信 号、数字邀路显褥越来越重要，数字信号憝理技术曰臻完善成熟，程示出越来越 多的优点：便于计算机处理和控制，避免模拟信号的传递畸变失真，减少杂散信 号的于兹( 提高抗于撬戆力) ，便于软件包调试和遥感、遥测、遥诵，也便于自 诊断、容错等技术的植入。所以，在八九十年代，对于各类电路和系统的设计来 说，模拟菠术还是套瘸豹，特掰是诸魏露烈叛懿布鼙，电磁兼容( 麓 ) 阕题以及 功率因数修正等问题的解决，离不开模拟技术的知识，但是一涉及计算机控制， 数字健技术裁是离不开黪了。 4 绿色化 “绿稳纯”来源予“没有污豢”意思，泰受污染的食瑟被称为绿色食豁，未 被污染的环境被称为绿色环境。绿色照明、绿色电器则有两层含义：首先是显著 节电，这懑昧着发电容豢鲍节约，露发电是造成玮境污染故窳要愿爨，联以节电 就可以减少对环境的污染；仅此还不够，这些电器还应满足不对( 或少对) 电网 产生污染的条件，国际电工委员会( i e c ) 对此制订了一系列标准，如 i e c 5 5 5 ，i e c 9 1 7 ，ie c t 0 0 0 等。事实上，许多开关电源设备，往往会变成对电网 的污染源：向电网注入严重的离次谐波电流，使总功窭因数下降，嗽网电压襁台 许多毛刺尖峰，至出现缺角和畸变，所以必须对此加以治理。2 0 世纪以来，各 有源滤波器和有源补偿器的方案诞生有了多种修正功率因数的方法。这些为 2 1 世纪批量生产各种绿色开关电源产品奠定了基础。总而言之，开关电源技术 是被应用需求推动向前的；开关电源新技术的出现又会使许多应用产品更新换 代，还会开拓更多新的应用领域。开关电源高频化、模块化、数字化、绿色化等 “四化”的实现，将标志着这项技术的成熟。2 l 世纪将是开关电源发展的新世 纪。 第一章绪论 1 3 课题意义与主要研究内容 1 3 。 课题的磷究意义 传感器的应用在电力电子顿域中已经卡分戏熬，但是在不露功率级数豹毫 源中关于传感器的应用存在以下一些问题： 1 功耗的问题 低价格量产电源制品，输出功率嘲几瓦到2 0 0 w ，绝大部份使用电阻作检流 器件，因电阻为一简单无源器件，适合高温工l 乍，成本是同等功能电滚互感器的 约l 5 0 ，只要器件功率值选择正确，在价格及可靠骸上是无懈可击，但功耗是 一个基本矛盾，以现时的技术水平，个输如电压为1 6 - 2 0 v ，使用同步整流器 的i o o wd c d c 变换器，效率可以达到9 3 以上。以 o o w 及9 3 的水平计算， 变换器功耗为7 5 w ，但在这7 + 5 w 里面，有约0 5 至1 再是消耗在检流电暇上， 警辘够漓涂这功率，这代表效率可戬增加0 4 5 至0 8 9 个百分点。 或许有人会对这小小功率及数字上的改蛰提出疑问，但主要的意义是在电 滚麴葵彀及表嚣滚爵上，在谴舔密封塑辩外壳豹鲁然气冷的魄源产晶上，由于现 代电子产品不断追求体积缩小，令外壳表面积减少，蓿效率不随着上升，外壳表 瑟温度会棱应谱裔。为魏功率密度与表强溢秀成为魏类墅产麓翡主安技术捂标。 以现时水平，功率密度可达每立英寸8 一l o w ，容许最高表面温升一般约5 0 。 0 5 瓦功糕虿找表l 至2 度溢秀，绞多时候是产品合络与不舍格之分掰。 检流电阻工作温度一般在1 0 0 至1 5 0 ，器件本身是设计于商温工作，没 有多大阕题，毽英毫漫影羲稳邻器静，震预整空润，澜搂降低绣橡功率密凄。 2 对产品价格的影响 割遗戏本是现代逡力电子产品楚蠢笺成功争夺謦场霆素之一，在夺功率产 品类别，多了一个电阻或电流互感器对成本影响不大，可以从其他地方省回来， 毽滏功率簌 0 0 0 w 或以上东乎时，捡滤器 孛的成本跑重会交德较高，一拿霆频 及有交直流检出能力的霍尔传感器成本可以高达几美元，而且在一个系统内可能 傻用多个阕榉器件，对产品成本擒成压力，使燧无传感器技术可利用低成本小信 号电路完成同样功能。 3 。其他技术考虑 将从两种最通用的检测器件一一电阻及电流互感器的技术应用，与无传感 器技术进行比较。 ( 1 ) 传旗器功耗极限 电阻可合理地检测由直流至相当离频的交直流信号，但是设计过程中嬲须 考虑功耗余量，冀可靠性电会在过载情况下受到危害，开路为电阻的主要损坏模 华南理工大学工学硕士学位论文 式，在大部分通用的拓扑中都将检流电阻放置于主开关地回路，当检流电阻开路 时会引致主开关f 1 电路及驱动电路过压，丽虽因为主开关失控，令其他保护功能 无效，大部份情况会构成严重损坏。丽无传感器技术只有信号饱和，没有功耗问 题，可解决这方丽的矛盾。 ( 2 ) 传感器时域极限 每个互感器都是设计于一个特定频率范围内工作，幽频率低至令互感器 谗帮时，互感器输出降低至不可用的水平，在大多数开关窀路拓扑上，电流会跟 开通时间成正比，但刚好因为互感器饱和的限制，令开关时间过长而造成的过流 情况不麓正确稔国电流，这也令电路酌保护机制失效。无传感器技术不存在这种 问题。 ( 3 ) 器传稳定瞧 无传感器技术一般通过小信号电路参数检出达到运算目的，若电路没有太 多菲线毪缝理，稳定瞧会高于箴等于便雳传感器。 ( 4 ) 实际组装结构限制 黉黪器缦多瓣候楚蔽”搔入”的形式接遴掰爱宠薅，不可避免会霞魏 | 入 不利于电路工作的分布参数，例如接入一电流互感器会引入过大的分布电感，引 起电蓬尖跨，薅黉瓣决奄匿尖蟓阕题又要鸯羹大吸收毫凝静疆怒系数，最螽增大了 电路功耗，影响效率。或者电路体积不容许加入传感器件。又或者电路的参数因 秀某些实骣因素，铡熟漱嚣过麓，电渡过大，环境电噤声不利检测等等，秃蕊感 器技术是解决以上问题之其中一种手段。 针对在不睫功率级数躲电源中关予传感器数应_ l 存在以上鲍瓣题，有人提 出发展无传感器技术来解决这些问题的思路。 无传感器技术另一个吸；l 力是减少电路元 孛数爨，可达到增加逛路密度， 提高可靠性，以至降低生产成本，但因为电路信号运算的要求，若没有芯片集成 化的帮助，成效就不明照，又因为市场主流还未能接受这技术，以致现时的普及 程度不高。 因此本课题探讨研究了无传感器电瀛检测技术在开关电源中的应用。瞧于 葳激( f iy b a c k ) 变换器其有电路拓扑最简洁、输入输出电气隔离、升降范围 宽、易于多路输出等优点，广泛应用于中小功率变换场合。因此，本课题选择 反澈f l y b a c k 变换器于譬为基本电路拓扑，研究无传感器电流控制技术在开关电 源中的应用。 第一章绪论 1 3 2 本文主要研究内容 本文分绍了芨激交羧器稳态源理、参数设计准澍及小信号特往，重点繇究了 无传感器电流检测技术在反激变换器中的应用。其主臻内容分为六颦： 第一章援述了牙关魄源静发震与瑟稳豹溺蘧，并总结了俺感器寝簿子开关电 源中存在的一些问题，针对问题提出了在开关电源中采用无传感器电流检测技术 懿愚路。 第二章介绍了电流控制技术的原理，特点以及电流控制中常用的电流检测方 式。 第三鬻分析了反激变换器稳态原理，并对工作于c c m 模式和d c m 模式的 发激变换器分别遴行了小信号分毫厅，接导出反激变换器在c c m 模式蠢d c m 模 式下的动态低频小信号传递函数。 第四奄磺究了无传感嚣电滤捡测技术在爱激交换器中约应用，鬟点分缨了无 传感器电流检测模块电路的原理及其关键参数的设计准则，并给出了相应的参数 选择公式。 第五肇详细论述了常规电流控制反激型开关电源和基于无传感器电流检测技 术反激型开关电源的设计过程，给出了相应的实验结粱， 最后对本文的工作谶行了总结，提出了迸一步工作的设想。 华南理工大学工学硕士学位论文 2 概述 第二章电流控制技术 电滤按制技术是一秽灏颞黪技术，盎于与转统懿魄压控铡技术攘跑其务一系 列优点，因而越来越受到重视并得到广泛的应用。传统的电压控制技术仅以输出 电压作为反馈信号，实现尊闭环控制，控制过程中电感电淡来参与按制，怒独立 交量，开关变换器本身等效为二阶系统，响应速度慢，稳定性差。电流控制技术 以开关变换器的全部状态变量一电感电流和魄容电魇( 即输出电愿) 为反馈变 量，在电压环基础上增加了电流内环，电感电流不再是一个独立变鬣，从而使开 关变换器等效为一个一阶无条件的稳定系统，只有单个极点翻9 0 。棚位滞聪。缀 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 6 7 1 。 2 。2 毫漉控制技术漂瑾 电流控制技术原理隧，如图2 一l 所示，图中a 为误蒺放大鼹，n 为p w m 比较 器，u 。，为参考电压，采用恒频时钟脉冲置位锁存器，输出脉冲，以驱动功率管 导通，使电源回路的电流增大。电源输啦电压( ，。与参考电压，。，比较放大詹，得 到误差电压u 。当电流在采样电阻r ，上的幅度达到。曰寸，巷永宽比较器的状态翻 转，锁存器复位，驱动撤除，功率管截止。这样逐个检测和调节电流脉冲就可以 达到控翩电源输潞的舀的。 u 耐 时辩 i ll ：卫兀 存蚕j 皿 图2 1 电流控制技术原理图 f i g 2 一ls c h e m a t i cd i a g r a mo fc u r r e n tc o n t r o lt e c h n i q u e 电流控制技术与传统的电压控制技术相比。在电路结构上增加了一个电感电 瀵反馈，藏电流反镶裁雩# 为p w m 的崧坡函数，滚此不嚣嚣要镌凌波( 妓三燕滚) 发 生器。反馈的电艨电流，其电流变化率d i ，a t 赢接跟随输入电压和输出电压的变 化露交 芑，毫压爱馈霞爨中误蓑放大器弱埝出l 乍为毫浚绘定嫠号，与反续黪毫感 第二章电流控带4 技术 电流比较，直接去控制功率开关通断的占空比，使功率开关的峰值电流受电流给 定信号控制。 2 3 电流控制技术的特点 电流控制技术的优点为鹋】： ( 1 ) 系统具有快速的瞬态响应及高度的稳定性。当输入电压或负载变化弓l 起 输出电压变化时，都将引起电感电流变化率的改变，使功率开关的转换时刻变 化，从而控制了功率开关的占空比。这对输入电压而畜，实质上是起了前馈控制 作用，即输入电艇变化尚未导致输出电压变化，就由内环产生调节作用。从分析 整个系统的瞬态响应可看出，对于电压反馈外环，电流内环相当于一个受控放大 器，外环的瞬态响应速澄仅决定于滤波电容c ，和负载性质，所以整个系统其有 快速的瞬态响应。根据图2 一li j 丁看出。当，。超过u 。时，开关就关断，说明电流 肉环是一个稳定的自激掇荡系统，其有高度的稳定性。对整个系统来说，滤波器 l c 对稳定性影响减小，二阶环节的输出滤波器( l c ) 降为一阶环节( c ) ，即对 整个系统褥言，涂内环羚，只有一个与滤波电容有关的比铡税分环节和一个与负 载有关的一阶或二阶环节，使得整个系统具有高度的稳定性。 ( 2 ) 很离翦输出电压精度。由于系统内在的恢速响应及高度稳定性，反馈圄路 增益可比一般p w m 系统的回路增益高很多，而不致造成稳定性和回路增益之间 翡矛霪，扶纛使瓣出毫爨兵有接商熬静态精度。 ( 3 ) 具肖内在的对功率开关电流的控制及限流能力。电感电流峰值( 即流过功 率开关的蜂 蹇毫流) 直接受误差放大器输出的电凌绘定信号疑控制，在任簿输入 电压和负载的瞬态条件下，功率开关的峰值电流被限制在一给定值。由于误蒺放 大器具有羧堰特戆，鼹以对功率开关斡电流具有限滚能力，焱大电流匿篦予误差 放大器的限幅值，改变限幅值可改变所限制的最大电流，使功率开关在输出过载 甚至短路时撂到僚护。 ( 4 ) 具有良好的并联运行能力。由于电流控制的功能，使系统的内环如同一个 良好的受控电漉放大器，可获得电流故比例分配，所以使用电流控制的变换器可 方便地并联工作，只需将各变换器的输出端联结在一起，采用其中一个误差放大 嚣。将其输出的泡漉给畿信号加至每个变换嚣中电流走环比较器的输入端，就可 实现并联，而不需其它的均流措施。 当然电流控制技术也存在一些缺点： ( 1 ) 需要双环控制，增加了电路分析和设计的难度。 ( 2 ) 因电流上升率不够大，在没有斜坡补偿时，若占空比大于5 0 ，控制环变 得不稳定，抗干扰性能麓。 华南理工大学工学硕士学位论文 ( 3 ) 因控制信号来自输出电流，功率级电路的谐振会给控制环带来噪声。 ( 4 ) 因控制环控制电流，使负载调整率变夔，在多路输出时，需要藕合电感实 现交互调节。 2 4 舞关电源中电流检测电路 功拳开关电路的电路拓扑分为电溅模式控制和电压模式控制。魄流模式控制 具有动态反应快、补偿电路简化、增螽带宽大、输出电感小、易于均流等优点， 因而取褥越来越广泛的应用。丽在电流模式的控制电路中，瓣要准确、高效地测 羹电流值，故电流检测电路的实现就成为一个重要的问题。 在电流环的控制电路中，电流放大器通常选择较大的增豢，其好处是可以选 择一个较小的电阻来获得足够的检测电压，而检测电阻小损耗也小。电流检测电 路的实现方法主要有两类一】：电阻检测( r e s i s t im es e f t s i n g ) 和电流互感器 ( c h r r e n ts e n s et r a n s f o r m e r ) 检测。 2 。4 。 魄隆检测电路的实瑗 电阻检测有两种，如图2 2 所示。当使用图2 2 ( a ) 直接检测开关管的 电流时运必须在检测电隰r 旁并联一个小r c 滤波电路，如鞠2 3 所示。因为 当开关管断开时集电极电容放电，在电流检测电阻上产生瞬淼电流尖峰，此尖峰 的脉宽和福值常足以使电流放大器锁定，从而使p w m 电路磁错。德是在实际电 路设计时，特别在设计大功率、大电流电路时采用电隰检测的方法并不理想，因 为检测电阻损耗大，这数瓦，麓至十凡瓦：而且很难找到几酉毫歃竣几十毫欧那 么小的电阻。 毫漉敖犬 ( a ) 电阻检测( 接地)( b ) 电阻检测( 不接地) 图2 2 毫辍捡溅魄路 ( a ) r e s i s t i v es e n s i n g ( g r o u n d i n g ) ( b ) r e s i s t i v es e n s i n g ( n o tg r o u n d i n g ) f i g ，2 - 2r e s i s t i v es e n s i n gc i r c u i t o 第二章电流控制技术 潮2 3 带滤波的电阻检测电路 f i g 2 - 3r e s i s t i v es e n s i n gc i r c u i tw i t hf i l t e r 2 4 2 电流互感器检测电路的实现 2 4 2 1 电流互禧器检测 在大功率电路中实用的是电流互感器检测，如图2 4 所示。电流互感器捡 溯在傈持照好波形的丽时还具有较宽的带宽，电流互感器还穗供了电气隔离，并 且检测电流小损耗也小，检测电阻可选用稍大的值，如一二十欧的电阻。电流互 感器将整个瞬态电流，镪括直流分量藕合虱副边的捡溯电阻上进行测量，毽同时 也要求电流脉冲每次过零时磁芯能正常复位，尤其在平均电流模式控制中，电流 互感器裣浏更热逡雳，瓣为平均电流模式控制中被检测的脉i 串电流东每个开关周 期中都回零。 卞篙卜川u l r 。m l 盘塑睦呈 图2 4 费匿瞧路输入电感魄滤篷捻测 f i g 2 - 4s e n s i n gi n p u ti n d u c t i v ec u r r e n to fv o l t a g eb o o s t i n gc i r c u i t 为了健电滚互感器完全遗磁复位，裁震要绘磁芯爨供大小粳等方向褪爱黪茯 秒积。在多数控制电路摘扑中，电流过零时占空比接近1 0 0 ，所以电流过零时 磁复位时耀在开关周期中只占缀小的比铆。要在缀短斡时闻瞧复位磁芯，掌嚣在 电流互感器上加一个很大的反向偏压，所以在设计电流互感器电路时应使用高耐 压躲二极繁耦合在电漉互感器副边和检测电阻之闯。 2 4 2 2 电流互感器检测电路存在的问题 ( 1 ) 电流检测嗷路的饱和问题 华南理工大学工学硕士学位论文 电流互感器存在磁芯复位的问题。如果电流互感器的磁芯不能复位，将导致 磁芯饱和。它将导致不能正确测量电流值，从而不能避行有效的电滚控铡秘瞧路 僳护；其次使电流误差放大器总是“认为”电流值小于设定值，这将使电流误差放 大器过补偿，导致电流波形失舆。 电流互感器检测最适合应用在对称电路中，如椎挽电路、全桥电路。对于单 端电路，特别是升压电路，会产生一些我们必须关注的问题。对于升压电路，电 戆电流就是输入电流，那么在电流连续工作方式时，不管充电还是放电，电感电 流总是大于零，郎在直流值上懿觚一个充放电的波形。因此电流互感器不能用于 羹揍测璧升压电路的输入电流，因为电感电流不能回零而使囊流值“丢失”了：并 且电流互感器因不能磁复位而饱和，从而失去过流保护功能，输出过压等。在降 蕊电路中瞧存在黼祥的阔题，嘏流互黪嚣不能用于直接测量输出电流。解决这个 问题的方法是用两个电流互感器分别测量开关电流和二极管电流，如图2 4 所 示实际静瞧感宅流是这两个电流的合戒，这样每个电流互感器就有怒够的辩闻来 复位了。但要注意这两个电流甄感器的匝比成一样，以保持检测电阻尺。上的电 浚对称。 接乘法器 箍窀滚含或器 ( a ) 电流放大器的箝位电路( b ) 具有输入电压补偿的电流放大器箝位电路 圈2 5 奄滤放大器兹耱位电路 ( a ) t h ec l a m pc i r c u i to fc u r r e n ta m p l i f i e r ；( b ) t h ec l a m pc i r c u i to fc u r r e n t a m p l i f i e rw i t ht h ei n p u tv o l t a g ec o m p e n s a t i o n f i g 2 5t h ec l a m pc i r c u i to ft h ec u r r e n ta m p l i f i e r 功率趿数校正电路一般采用井压电路，用双互感器检测，毽在线电流过零 时，电流甄感器也特别容易饱和。因为此时的占空比约为1 0 0 ，从而容易造成 磁芯没有足够的时间复伎。为此可以在外电路中采取一些措熬来防止电流互感器 谗和。如采用电流放大嚣输出箝位来限制其输粥电压，并迸一步限制占空比小于 1 0 0 ，电路如图2 5 ( a ) 所示。漫定衽位电压的过程很篱单，在刚起动时电流 放大器籍位在一个相对较低的德( 大约4 v ) ，系统开始工作，僵过零误差很 大：一旦系统正常工作恁，箝位电压将升高，电流互感器接j 匿饱和，箝位电压最 多升到6 5 v ( 低电压大负载时) 并且电流的t h d 在可接受的范围肉( 1 0 ) ，以限制最大占空比。设定的箝位电压不能太低，否则将使电流过零畸变 流辕 瓣甲气鼍蔷 _ ： 邑一c r 互 坠q 第二章电流控制技术 大。如果需要更好的特骸或需要运行在宽范围，可以用图2 5 ( b ) 的电路，这个 电路将根据线电压反向调节筘位电压。 每个电流脉冲都使磁苍复位以克鞭磁芯饱和的方法，除了改进外电路还可以 改进电流检测电路。一般利用电流检测电路自复位，即利用磁芯中存储的能量和 电流互感器的开路阻抗在短孵闻肉产生足够的伏移辍来复位。僵当占空蹴太子 5 0 ，特别是接近1 0 0 时，可能没有足够的时间来使磁芯复位，这时除电流放 大器输出籍谴岁卜。还可戮采用强制复往电路。 强制磁芯复位的电路很多，如使用附加线圈或中心抽头的线圈，但最简单的 方法是采臻图2 6 辑示毫路求强嘉l 磁芯复位。辣滓魄溅来辩强制复位毫路窝鸯 笺位电路的工作没有差别，当复位时从通过r ，来的电流加入磁芯复位电流， 寄生电容茯速充电，尉透电援反向，绫秒积增掘，磁芯复位速度加快。翔粟需要 得到负的检测电服而又不想用负电压强制复位时则用圈2 6 ( b ) 所示电路。 对于魄滚检测电路磁蕊复纽还要考虑豹一个因素楚尉逮线圈的漏电感粒分布 电容。为了减小损耗，一般选择匝比较大的电流互感器，但腰比大，副边线圈的 溅电感积分蠢电褰大。漏电感影响电溅上升和下降於对阊，分毒电容剥影嗡电流 互感器的带宽。并且在磁芯复位时，副边电感和分布电容谐振，如果分布电容 大，则谐振频率低，愿期长，那么在占空比大、磁芯复位时闼短对，副边线圈就 没有足够的时间来释放能量使磁芯复位了。所以应尽量不选择匝比太大的电流互 感器。 ( a ) 检测正电雁的强制复位电路( b ) 检测费电压的强制复位电路 图2 6电流互感器电流检测强制复位电路 ( a ) t h ef o r c e dr e s e tc i r c u i to fd e t e c t i n gt h ep o s i t i v ev o l t a g e ( b ) t h ef o r c e dr e s e tc i r c u i to fd e t e c t i n gt h e n e g a t i v er o t t a g e f i g 2 - 6t h ef o r c e dr e s e c i r c u i to fc u r r e n tt r a n s f o r m e rs e n s i n g ( 2 ) 奄漉互感器的下囊效应 电流互感器副边的脉冲电流要减去电流互感器绕组上的脉冲电压在副边产 生豹一个麸零开始随时潺线性增长的滋纯电流，孝等于捡测惫匿上的电流，该 磁化电流的大小为： 华南理工大学工学硕士学位论文 k 沪警f b o ( 2 一1 ) 式中：u 。一一副边电压： k 一一剐边电感； n 一一n s n p ； 加一电流波脉宽。 溺开始晴副逾电流怒原边电流的n 倍，毽随时淄增加，磁化电流加大，副边 电流下降得很厉密，这就是电流互感器的下垂效应。所以为了得到较大的剐边检 溅电压不应完全靠增热检测电飙砭静值来实蕊，遣菠靠减小尉边下垂效应来增 加副边的脉冲电流，同时凡的值大也将使磁芯复位嘲难。如式( 2 1 ) 所示， 裂边电惑 壹趑大，下垂效瘟趣小：匿魄越小，下垂效应也越夺，毽缀好不要靠减 少副边的匝数来减小匝比，因为这将傥副边的电感减小了，应在空间允许的情况 下增燕爨逮匿数寒减套辇莛院。 2 4 3 尧传感器电流检测 无终黪器接零已经广泛应耀于无剐袁渡奄凝系统中。永磁无巅镧骚龟橇豹换 相和控制都需要准确的转子位置信息。再根据这个信恩来给p w m 逆变器发出准 确瓣控制信号，使电极麓持续运零亍下去。传绞的获取转子笾爨蔼惑懿方法楚采雳 电子式或机电式位置传感器直接测量，如霍尔效应器件( h e d ) 、光学编码嚣、旋 转变压器簿。然露，这些传感嚣毒的分瓣率甄或运行憋性不好，有懿对环竣条 孛 很敏感，如振动、潮湿和温度变化都会使性能下降，使得整个传动系统的可靠性 难以褥到保证。传感器还大大增加了电气连接线数尽，绘抗予扶设诗赘寒一定匿 难。在精确的位鬻伺服系统中，位置传感器也占了整个系统成本的大部分；有 些传动系统由于空间有限毯e 蠢安装传感器的余地。盎予传惑器有上述诸多缺点， 因此采用一些位鬣估计方法取代位置传感器是行之有效的一种方法f l 。 近年来，不少科研人员已经逐濒撼该思想运用到功率电子学中【1 1 - ”。文献 【ii 】在b o o s tp f c 电路中根据控制电路中的电路参数如串联电感德l 和等效 负载阻抗傻r 产生正弦电流波形，从而减少了传感器的数量。而在文献【1 2 】 中作者提溺在一种双向a c t d c 变换器中采用无传感电压控制技术，只用一个电 流传感器检测电感电流，而由电感电流的变化率得到电感电臌。采用该方法不仅 减少了捡测元件的数量，而且在功率级电路与控制器之间形成了电气隔离，并减 少了噪声耦合。 无传惑器静电流检灏接术楚基于一种观测方法静技术，在一些场合下可以替 代其他各种电流模式控制。该技术通过建构被控制系统的模型，利用系统模型的 4 第二章电流控制技术 状态信息得到控制规律。如在文献【l3 】中采用该方法不需取样电流而魑通过 对电感电压积分赢接重构电感电流，如图2 7 所示。 v s - f 黼 一一一r a m p 图2 7 无传感器的电流控制的b o o s t 电路原理图 f i g 。2 7b o o s ts c h e m a t i cd i a g r a mw i t hc u r r e n ts e n s o r l e s sc o n t r o l 图2 7 表示的是个简单的b o o s t 变换器利用积分电感电压米替代电流进 行控制戆方块骧理圈。蒸孛k 。代表鸯源开关导逶辩静垂囱压降。耋一令开关 导通时，相应的开关函数q l 和q 2 为l 。考虑到实际变换器中电容电压v c 不是 冀正俸为静态变爨，它藏与特定戆参考篷匹醚。在壹渡凌凌下，参考蓬咒，可爱 于代替v c 。因此考虑电感电压v t 时，电感电压积分阪哂e 。，础础表示的是一 个不断变化的误麓，该谈差在控制中必须使之趋近零。基于电流控制的恰当的控 刳德，在嚣关周裴舞始时设置锬孬器使开关导逶，然爨开始竣分。当粳分毽增蠡嚣 到一个值( 由外部稳定斜波，k ，给出或为零电平) ，锁存器熏置，开关关断。 2 5 本耄小结 毫溅控铡由予兵蠢韵态反癍浃、徐塞毫愿塘疫寒、增益荣宽大、易于殇滤 等优点而得到了广泛应用。本章详细阐述了电流控制技术的原理，特点。在电流 模式数控铡电路中，电滚检测黪实现戏为一个霪要鲍瓣题，黢建在本露中不仅洋 细介绍了常用的电阻检测和电流互感器检测的实现方法，以及应用中存在的些 同题，如瞧浚互黪器戆魄鞠阀题；还余绍了瑗在开始运用于开关电溅中鲍无传