電流型雙頻率脈沖序列調(diào)制開(kāi)關(guān)變換器

王金平 許建平 蘭燕妮

（西南交通大學(xué)電氣工程學(xué)院 成都 610031）

1 引言

開(kāi)關(guān)變換器具有功率轉(zhuǎn)換效率高、功率密度大和重量輕等明顯優(yōu)點(diǎn)而得到了廣泛應(yīng)用[1]。目前，越來(lái)越多的應(yīng)用場(chǎng)合要求開(kāi)關(guān)變換器具有快速地動(dòng)態(tài)響應(yīng)速度，以使電氣設(shè)備負(fù)載快速變化時(shí)，保持輸出電壓恒定或快速恢復(fù)穩(wěn)態(tài)；此外，隨著EMI 標(biāo)準(zhǔn)的建立與完善，要求開(kāi)關(guān)變換器具有較低EMI 噪聲，以減少對(duì)電網(wǎng)以及周?chē)h(huán)境的污染。

隨著對(duì)開(kāi)關(guān)電源動(dòng)態(tài)響應(yīng)速度要求的不斷提高，以線性控制理論為基礎(chǔ)的傳統(tǒng)PWM 調(diào)制方式已越來(lái)越難以滿足要求。一些非線性控制技術(shù)，如單周控制[2]、滯環(huán)控制[3,4]、滑?？刂芠5]及脈沖序列控制[6-8]等被應(yīng)用于開(kāi)關(guān)變換器控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。單周控制對(duì)輸入電壓擾動(dòng)具有良好地抑制能力，但存在負(fù)載動(dòng)態(tài)響應(yīng)速度慢和穩(wěn)態(tài)誤差的缺點(diǎn)；滯環(huán)及滑模控制具有快速地動(dòng)態(tài)響應(yīng)速度，但它們的工作頻率隨輸入電壓或負(fù)載的變化而變化，增加了濾波器的設(shè)計(jì)難度；脈沖序列控制實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單，負(fù)載動(dòng)態(tài)響應(yīng)速度快，極大地提高了開(kāi)關(guān)變換器的動(dòng)態(tài)響應(yīng)速度。

已有研究成果表明，PWM 開(kāi)關(guān)變換器的EMI峰值主要集中在開(kāi)關(guān)頻率及其倍頻處[9]，采取濾波和屏蔽實(shí)現(xiàn)EMI 抑制的方法增加了硬件的成本和體積[10]，因此，從產(chǎn)生機(jī)理上抑制開(kāi)關(guān)變換器EMI是最理想的有效途徑，開(kāi)關(guān)頻率調(diào)制[11]和開(kāi)關(guān)頻率的混沌控制[12]從機(jī)理上很好地降低了EMI 噪聲水平。

為了提高開(kāi)關(guān)變換器的動(dòng)態(tài)響應(yīng)速度，降低開(kāi)關(guān)變換器的EMI，本文提出了開(kāi)關(guān)變換器的電流型雙頻率脈沖序列調(diào)制（Bi-Frequency Pulse-Train Modulation，BF-PTM）方法。電流型BF-PTM 開(kāi)關(guān)變換器實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單，無(wú)需誤差放大器及其相應(yīng)的補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)，動(dòng)態(tài)響應(yīng)速度快，EMI 噪聲小，易于實(shí)現(xiàn)過(guò)電流保護(hù)和并聯(lián)均流控制。本文以 DCM（discontinuous conduction mode）Buck 變換器為例，分析了電流型BF-PTM 工作原理及控制策略，進(jìn)行了穩(wěn)態(tài)分析，建立了小信號(hào)模型。仿真及實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，電流型BF-PTM 不僅具有快速的動(dòng)態(tài)響應(yīng)速度，而且利用頻率拓展原理有效地降低了變換器EMI 噪聲水平，具有優(yōu)越的控制性能。

2 電流型BF-PTM 控制原理

電流型BF-PTM 控制DCM Buck 變換器如圖1所示。當(dāng)Buck 變換器工作于DCM 時(shí)，電感電流在開(kāi)關(guān)管V 導(dǎo)通前為零，續(xù)流二極管VD 在零電流下關(guān)斷，這種固有的軟開(kāi)關(guān)特性使得變換器具有較高的工作效率。從圖1 可以看出，電流型BF-PTM 控制器由比較器、D 觸發(fā)器、延時(shí)器、窄脈沖觸發(fā)裝置和RS 觸發(fā)器組成，其中比較器I 與D 觸發(fā)器構(gòu)成輸出電壓監(jiān)測(cè)電路。當(dāng)D 觸發(fā)器CLK 端觸發(fā)脈沖Uc來(lái)臨時(shí)，其Q 端電平與D 端保持一致，之后一直保持不變，直到觸發(fā)脈沖Uc再次來(lái)臨。當(dāng)CLK端觸發(fā)脈沖來(lái)臨時(shí)，若D 觸發(fā)器Q 端輸出高電平，則表明當(dāng)前時(shí)刻輸出電壓Uo低于參考電壓Uref；反之，若Q 端輸出低電平，則表明當(dāng)前時(shí)刻輸出電壓Uo高于參考電壓Uref。

圖1 電流型BF-PTM 控制DCM Buck 變換器Fig.1 Current-mode BF-PTM controlled DCM buck converter

觸發(fā)脈沖Uc來(lái)臨的同時(shí)，RS 觸發(fā)器置位，其Q 端輸出高電平，Buck 變換器開(kāi)關(guān)管V 導(dǎo)通，電感電流iL線性上升；當(dāng)電感電流上升到電流限定值ILim時(shí)，比較器II 輸出端電平翻轉(zhuǎn)置高，RS 觸發(fā)器復(fù)位，其Q 端輸出低電平，Buck 變換器開(kāi)關(guān)管V 關(guān)斷，電感電流線性下降。由于ILim的存在，使得電流型BF-PTM 具有自動(dòng)限流功能，從而可以實(shí)現(xiàn)過(guò)電流保護(hù)。

當(dāng)觸發(fā)脈沖Uc來(lái)臨時(shí)，若D 觸發(fā)器Q 端輸出高電平，電流型BF-PTM 控制器經(jīng)過(guò)TH時(shí)間后使窄脈沖觸發(fā)裝置產(chǎn)生觸發(fā)脈沖；反之，若D 觸發(fā)器Q端輸出低電平，控制器則經(jīng)過(guò)TL（k=TL/TH，k＞1）時(shí)間后使窄脈沖觸發(fā)裝置產(chǎn)生觸發(fā)脈沖，分別為D觸發(fā)器和RS 觸發(fā)器提供觸發(fā)時(shí)鐘信號(hào)和置位信號(hào)，進(jìn)入下一開(kāi)關(guān)周期。

由以上分析可知，電流型BF-PTM 控制器由輸出電壓外環(huán)與電感電流內(nèi)環(huán)構(gòu)成，輸出電壓外環(huán)決定控制脈沖UP的周期為T(mén)H或TL，電感電流內(nèi)環(huán)決定開(kāi)關(guān)管V的導(dǎo)通時(shí)間。電流型BF-PTM 控制DCM Buck 變換器工作原理如圖2 所示。

圖2 電流型BF-PTM 工作原理Fig.2 Operation principle of current-mode BF-PTM

圖2 中，在t1時(shí)刻，觸發(fā)脈沖Uc來(lái)臨，開(kāi)關(guān)管V 導(dǎo)通，電感電流iL線性上升，當(dāng)電感電流上升到ILim時(shí)，開(kāi)關(guān)管V 截止，電感電流線性下降到零。由于t1時(shí)刻輸出電壓Uo小于參考電壓Uref，D 觸發(fā)器 Q 端輸出高電平，因此當(dāng)前控制脈沖的周期為T(mén)H；而在t2時(shí)刻，輸出電壓Uo高于參考電壓Uref，電流型BF-PTM 控制器選擇TL作為該控制脈沖的周期。

由圖2 及以上分析可知，觸發(fā)脈沖Uc來(lái)臨時(shí)刻（即控制脈沖UP的開(kāi)始時(shí)刻）輸出電壓與參考電壓間的大小關(guān)系決定了當(dāng)前控制脈沖周期為T(mén)H或TL，控制脈沖UP為兩個(gè)不同頻率的脈沖的組合。因此，相對(duì)于PWM 控制方式，電流型BF-PTM 控制開(kāi)關(guān)變換器的開(kāi)關(guān)頻率不再單一恒定，控制脈沖頻譜能量被擴(kuò)展到兩個(gè)固定頻率及其諧波上，從而有效降低了EMI 峰值，使開(kāi)關(guān)變換器具有較低的EMI 噪聲。

3 穩(wěn)態(tài)分析

當(dāng)電流型BF-PTM 控制DCM Buck 變換器穩(wěn)定工作時(shí)，由圖2 可知在任意開(kāi)關(guān)周期，電感電流從零上升到電流限定值ILim的時(shí)間，即開(kāi)關(guān)管導(dǎo)通時(shí)間為

故在任意開(kāi)關(guān)周期內(nèi)，DCM Buck 變換器輸入電流平均值Iin為

當(dāng)開(kāi)關(guān)周期為T(mén)H時(shí)，式（2）中T=TH，否則T=TL。

由式（1）、式（2）可得任意開(kāi)關(guān)周期內(nèi)變換器輸入功率Pin1為

當(dāng)電流型BF-PTM 控制Buck 變換器穩(wěn)定工作時(shí)，若干高頻率脈沖周期TH與低頻率脈沖周期TL構(gòu)成一個(gè)循環(huán)周期，控制脈沖以循環(huán)周期進(jìn)行循環(huán)。假定一個(gè)循環(huán)周期由μH個(gè)高頻率脈沖周期TH與μL個(gè)高頻率脈沖周期TL組成，由此可得電流型BF-PTM 控制DCM Buck 變換器的平均輸入功率

在式（4）中，分別令μH和μL均為零，可以得到輸入功率的最小值Pin,min和最大值Pin,max

式（5）確定了輸入功率的變化范圍。從式（5）可以看出，通過(guò)改變ILim、TH和TL的值能夠調(diào)節(jié)電流型BF-PTM 控制DCM Buck 變換器的輸入功率變化范圍。

此外，式（5）同樣確定了電流型BF-PTM 控制DCM Buck 變換器理論上（不考慮損耗）的輸出功率調(diào)整范圍。在進(jìn)行電流型BF-PTM 控制DCM Buck 變換器設(shè)計(jì)時(shí)，輸出功率Po必須滿足

否則，若期望輸出功率大于Pin,max，由于輸入功率不足，輸出電壓將低于參考電壓，電流型BF-PTM 控制器將一直選擇TH作為控制脈沖周期；同樣，若期望輸出功率小于Pin,min，由于輸入功率過(guò)剩，電容儲(chǔ)能，輸出電壓高于參考電壓，控制器將一直選擇TL作為控制脈沖周期。此時(shí)，電流型BF-PTM 控制失效，Buck 變換器輸出電壓失控。

4 小信號(hào)模型

假定電流型BF-PTM 控制DCM Buck 變換器穩(wěn)定工作時(shí)，μH個(gè)高頻率脈沖周期TH和μL個(gè)低頻率脈沖周期TL構(gòu)成控制脈沖循環(huán)周期（μHTH+μLTL）。在一個(gè)控制脈沖循環(huán)周期內(nèi)，電感電流平均值為

式中，Uin、Uo、ILim均為直流穩(wěn)態(tài)量；均為交流小信號(hào)擾動(dòng)量。

對(duì)式（7）兩端取微分，可得電感電流平均值的小信號(hào)擾動(dòng)量

式中

此外，對(duì)于Buck 變換器有

由式（8）、式（9）可以建立電流型BF-PTM 控制Buck 變換器的小信號(hào)模型，如圖3 所示。

圖3 電流型BF-PTM 控制Buck 變換器小信號(hào)模型Fig.3 Small-signal model of current-mode BF-PTM controlled Buck converter

5 仿真結(jié)果

為了驗(yàn)證開(kāi)關(guān)變換器電流型BF-PTM 方法的控制性能，采用PSIM 軟件對(duì)電流型BF-PTM 控制DCM Buck 變換器進(jìn)行了仿真研究，仿真電路參數(shù)：Uin=20V，Uo=6V，L=10μH，C=1880μF，TH=15μs，TL=60μs，ILim=5.6A，其中輸出電容等效串聯(lián)電阻RESR=20mΩ。

圖4 為輸出功率為6W 時(shí)電流型BF-PTM 控制DCM Buck 變換器的穩(wěn)態(tài)仿真結(jié)果。從圖中可以看出，此時(shí)控制脈沖循環(huán)周期由1 個(gè)高頻率脈沖周期及1 個(gè)低頻率脈沖周期構(gòu)成。

圖4 輸出功率為6W 時(shí)的仿真結(jié)果Fig.4 Simulation results at 6W output power

圖5 為輸出功率為12W 時(shí)電流型BF-PTM 控制DCM Buck 變換器的穩(wěn)態(tài)仿真結(jié)果。此時(shí)，控制脈沖循環(huán)周期由11 個(gè)高頻率脈沖周期及1 個(gè)低頻率脈沖周期構(gòu)成。相對(duì)于圖4，隨著負(fù)載功率增加，控制脈沖循環(huán)周期內(nèi)高頻率脈沖周期數(shù)明顯增加，以向變換器輸出端傳遞更多的能量，滿足負(fù)載要求。

圖5 輸出功率為12W 時(shí)的仿真結(jié)果Fig.5 Simulation results at 12W output power

圖6 為負(fù)載電流在6.0ms 時(shí)由1A 突變至2A，即輸出功率由6W 突變至12W 時(shí)，分別采用電流型PWM 控制和電流型BF-PTM 控制的DCM Buck 變換器的動(dòng)態(tài)響應(yīng)速度仿真結(jié)果，其中電流型PWM的開(kāi)關(guān)周期為15μs，誤差放大器采用PI 調(diào)節(jié)（比例系數(shù)Kp=5，積分時(shí)間TI=0.5μs）。從圖6 可以看出，面對(duì)同樣的負(fù)載突變，電流型BF-PTM 控制的動(dòng)態(tài)響應(yīng)速度很快，幾乎沒(méi)有調(diào)整時(shí)間，動(dòng)態(tài)響應(yīng)性能明顯優(yōu)于電流型PWM 控制。

圖6 電流型PWM 與電流型BF-PTM 控制DCM Buck 變換器負(fù)載動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性響應(yīng)Fig.6 Load transient response of current-mode PWM and current-mode BF-PTM DCM Buck converter

圖7 為負(fù)載電流大范圍變化時(shí)電流型BF-PTM控制DCM Buck 變換器的仿真結(jié)果。對(duì)于文中仿真電路參數(shù)，由式（5）可以確定輸出功率變化范圍為（3.7～14.93W），所以在圖7 中當(dāng)負(fù)載功率為6W時(shí)，輸出電壓穩(wěn)定在期望值6V，而當(dāng)負(fù)載功率分別為20W 和零時(shí)，BF-PTM 控制DCM Buck 變換器的輸出功率超出了調(diào)節(jié)范圍，輸出電壓失調(diào)，輸出電壓分別低于和高于期望輸出電壓，這與式（6）理論分析結(jié)果一致。

圖7 負(fù)載電流大范圍變化時(shí)的仿真結(jié)果Fig.7 Simulation results under larger output current variations

圖 8 所示為電流型 PWM 控制與電流型BF-PTM 控制DCM Buck 變換器主功率Mosfet 漏源間電壓信號(hào)uDS的頻譜圖。從圖中可以看出，采用電流型BF-PTM 控制時(shí)，uDS頻譜具有更低的諧波峰值，從而產(chǎn)生更低的EMI 噪聲，使得變換器更容易滿足相應(yīng)的EMC 標(biāo)準(zhǔn)。

Fig.8 VDS 頻譜仿真結(jié)果Fig.8 Simulation results of spectrums of VDS

6 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

為了驗(yàn)證理論分析與仿真結(jié)果的正確性，采用與仿真一致的電路參數(shù)，制作了相應(yīng)的實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。

圖9 所示為不同輸出功率時(shí)電流型BF-PTM 控制DCM Buck 變換器的穩(wěn)態(tài)實(shí)驗(yàn)結(jié)果。在圖9a 中，控制脈沖循環(huán)周期由1 個(gè)高頻率脈沖周期及1 個(gè)低頻率脈沖周期構(gòu)成。在圖9b 中，控制脈沖循環(huán)周期由15 個(gè)高頻率脈沖周期及1 個(gè)低頻率脈沖周期構(gòu)成，實(shí)驗(yàn)結(jié)果與仿真結(jié)果給出的控制脈沖循環(huán)周期組成的差別，是由實(shí)驗(yàn)電路的非理想功率變換效率的影響造成的。圖9 與圖4、圖5 仿真結(jié)果類(lèi)似，隨著輸出功率的增加，控制脈沖循環(huán)周期內(nèi)高頻率脈沖數(shù)量也隨之增加，以向輸出端提供更多的功率。

圖9 不同輸出功率時(shí)的實(shí)驗(yàn)結(jié)果Fig.9 Experimental results under different output power

圖10 為負(fù)載突變時(shí)電流型PWM 控制與電流型BF-PTM 控制DCM Buck 變換器的輸出電壓及負(fù)載電流實(shí)驗(yàn)波形。從圖中可以看出，當(dāng)負(fù)載瞬間加載或減載時(shí)，電流型BF-PTM 控制能夠快速調(diào)整輸出電壓，比電流型PWM 具有更為優(yōu)越的動(dòng)態(tài)響應(yīng)性能。

圖10 負(fù)載動(dòng)態(tài)響應(yīng)實(shí)驗(yàn)結(jié)果Fig.10 Experimental results of load dynamic response

圖 11 所示為電流型 PWM 控制和電流型BF-PTM 控制DCM Buck 變換器主功率Mosfet 漏源間電壓信號(hào)uDS的頻譜圖。從圖中可以看出，采用電流型BF-PTM 控制時(shí)，DCM Buck 變換器uDS頻譜存在較多的邊頻分量，有效降低了諧波峰值，從而產(chǎn)生更低的EMI 噪聲，使得變換器更容易滿足相應(yīng)的EMC 標(biāo)準(zhǔn)。

圖11 VDS 頻譜實(shí)驗(yàn)結(jié)果Fig.11 Experimental results of spectrums of VDS

7 結(jié)論

本文提出了開(kāi)關(guān)變換器電流型雙頻率控制技術(shù)，該技術(shù)無(wú)需誤差放大器及其相應(yīng)的補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)，具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，易于實(shí)現(xiàn)等優(yōu)點(diǎn)。電流型BF-PTM控制采用高、低頻率脈沖對(duì)開(kāi)關(guān)變換器輸出電壓進(jìn)行調(diào)整，降低了電磁干擾噪聲水平，且隨著電流環(huán)的引入，使得變換器具有自動(dòng)限流功能，提升了輸入電壓動(dòng)態(tài)響應(yīng)速度，仿真及實(shí)驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證了電流型BF-PTM 控制的優(yōu)越性。

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