基于變頻紋波控制的開(kāi)關(guān)變換器及其穩(wěn)定性研究.pdf

1、開(kāi)關(guān)變換器紋波控制是一種采用變換器的電壓紋波信號(hào)或電流紋波信號(hào)作為脈沖寬度調(diào)制(Pulse Width Modulation，PWM)斜坡的控制技術(shù)。相對(duì)于傳統(tǒng)電壓型控制，紋波控制具有瞬態(tài)響應(yīng)速度快、控制電路簡(jiǎn)單易設(shè)計(jì)等優(yōu)點(diǎn)。紋波控制可以實(shí)施為定頻紋波控制和變頻紋波控制。相對(duì)于定頻紋波控制，變頻紋波控制具有輕載效率高且穩(wěn)定性不受變換器占空比變化范圍的限制等優(yōu)點(diǎn)。因此，變頻紋波控制已廣泛應(yīng)用于為微處理器等負(fù)載供電的電壓調(diào)節(jié)模塊(Volta

2、ge Regulator Modules，VRM)和負(fù)載點(diǎn)(Point Of Load，POL)變換器。然而，與定頻紋波控制類似，變頻紋波控制的穩(wěn)定性也受到一些電路參數(shù)的影響，如輸出電容及其等效串聯(lián)電阻(Equivalent Series Resistance，ESR)等。本論文將以變頻紋波控制開(kāi)關(guān)變換器為研究對(duì)象，圍繞電路參數(shù)對(duì)變換器穩(wěn)定性和動(dòng)力學(xué)行為的影響展開(kāi)深入研究，從而為該類變換器的分析和設(shè)計(jì)提供理論依據(jù)。
　　(1)建立

3、了具有5種運(yùn)行模式和4條模式切換邊界的固定關(guān)斷時(shí)間(Fixed Off-Time，F(xiàn)OT)控制Buck變換器異步開(kāi)關(guān)離散時(shí)間模型。討論了隨輸出電容ESR減小FOT控制Buck變換器中存在的次諧波振蕩現(xiàn)象以及電感電流從連續(xù)導(dǎo)電模式(Continuous Conduction Mode，CCM)進(jìn)入到斷續(xù)導(dǎo)電模式(Discontinuous Conduction Mode，DCM)的模式轉(zhuǎn)移現(xiàn)象。進(jìn)一步，研究輸出電容ESR較小時(shí)負(fù)載電阻和電

4、感對(duì)變換器的穩(wěn)定性和動(dòng)力學(xué)行為的影響，給出了FOT控制Buck變換器的近似穩(wěn)定條件及其歸一化表達(dá)式。理論分析和實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，隨著輸出電容ESR的減小，F(xiàn)OT控制Buck變換器通過(guò)倍周期分岔和邊界碰撞分岔進(jìn)入到DCM混沌狀態(tài)，且由輸出電容ESR較小導(dǎo)致的次諧波振蕩等不穩(wěn)定行為可以通過(guò)選擇合適的負(fù)載電阻、電感和電壓傳輸比來(lái)消除，研究結(jié)論有利于這類變換器電路參數(shù)的合理選取。
　　(2)通過(guò)采樣電感電流對(duì)輸出電壓進(jìn)行電壓斜坡補(bǔ)償，實(shí)現(xiàn)了輸

5、出電容ESR較小時(shí)電壓型變頻紋波控制Buck變換器的穩(wěn)定工作。分析了斜坡補(bǔ)償?shù)淖饔脵C(jī)理，給出了確保FOT控制Buck變換器和固定導(dǎo)通時(shí)間(Constant On-Time，COT)控制Buck變換器穩(wěn)定工作時(shí)斜坡補(bǔ)償電壓斜率的臨界表達(dá)式。以斜坡補(bǔ)償FOT控制Buck變換器為例，建立了其異步開(kāi)關(guān)離散時(shí)間模型，研究了斜坡補(bǔ)償電壓斜率作為分岔參數(shù)時(shí)斜坡補(bǔ)償FOT控制Buck變換器的動(dòng)力學(xué)行為。研究結(jié)果表明，斜坡補(bǔ)償有效拓寬了變換器輸出電容ES

6、R的穩(wěn)定工作范圍。通過(guò)斜坡補(bǔ)償技術(shù)，輸出電容ESR較小時(shí)電壓型變頻紋波控制Buck變換器也能穩(wěn)定正常工作。
　　(3)針對(duì)電壓型變頻紋波控制技術(shù)的穩(wěn)定性依賴于輸出電容ESR，提出了開(kāi)關(guān)變換器的電容電流變頻控制技術(shù)，并闡述了其工作原理。利用描述函數(shù)法，推導(dǎo)了電容電流COT控制Buck變換器和電容電流FOT控制Buck變換器的小信號(hào)模型，并通過(guò)Routh-Hurwitz判據(jù)研究了這類Buck變換器的穩(wěn)定性。研究結(jié)果表明，電容電流變頻控

7、制技術(shù)不僅保持了電壓型變頻紋波控制的快速負(fù)載瞬態(tài)響應(yīng)速度，且其穩(wěn)定性不依賴于輸出電容ESR。
　　(4)當(dāng)電壓外環(huán)開(kāi)環(huán)或電壓紋波可以忽略時(shí)，電流型變頻紋波控制開(kāi)關(guān)變換器不存在次諧波振蕩且始終工作在穩(wěn)定狀態(tài)。然而，當(dāng)輸出電容較小或反饋增益較大時(shí)，比例-積分(Proportional Integral，PI)補(bǔ)償電流型變頻紋波控制Buck變換器中存在次諧波振蕩現(xiàn)象。以PI補(bǔ)償電流型COT控制Buck變換器為例，根據(jù)PI補(bǔ)償器的補(bǔ)償電容

8、電壓為電感電流和輸出電容電壓的線性組合，建立了其降階異步開(kāi)關(guān)離散時(shí)間模型，研究了輸出電容和反饋增益對(duì)其穩(wěn)定性和動(dòng)力學(xué)行為的影響，給出了其近似穩(wěn)定條件以及在不同參數(shù)空間的失穩(wěn)邊界。進(jìn)一步，給出了PI補(bǔ)償電流型FOT控制Buck變換器的近似穩(wěn)定條件。結(jié)果表明，PI補(bǔ)償電流型變頻紋波控制Buck變換器的穩(wěn)定性主要與輸出電容、輸出電容ESR、反饋增益、電流采樣增益和固定導(dǎo)通時(shí)間有關(guān)。研究結(jié)果有助于電流型變頻紋波控制Buck變換器的分析和設(shè)計(jì)。<

9、br>　　(5)當(dāng)輸出電容ESR較大時(shí)，PI補(bǔ)償電流型變頻紋波控制Boost變換器存在次諧波振蕩現(xiàn)象，這與PI補(bǔ)償電流型變頻紋波控制Buck變換器的情況截然相反。以PI補(bǔ)償電流型FOT控制Boost變換器為例，建立了其降階異步開(kāi)關(guān)離散時(shí)間模型，研究了電壓外環(huán)反饋增益和輸出電容ESR對(duì)變換器穩(wěn)定性和動(dòng)力學(xué)行為的影響，闡述了次諧波振蕩現(xiàn)象的形成機(jī)理，給出了其近似臨界穩(wěn)定條件。研究表明，當(dāng)輸出電容ESR較小時(shí)，隨反饋增益的增大，PI補(bǔ)償電流型