舒立三， 許建平， 張 斐， 董 政

(西南交通大學(xué)電氣工程學(xué)院磁浮技術(shù)與磁浮列車教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，四川成都610031)

具有快速動(dòng)態(tài)響應(yīng)的PCCM二次型Boost變換器

舒立三， 許建平， 張 斐， 董 政

(西南交通大學(xué)電氣工程學(xué)院磁浮技術(shù)與磁浮列車教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，四川成都610031)

工作于電感電流連續(xù)導(dǎo)電模式(CCM)的二次型Boost變換器，其控制-輸出小信號(hào)傳遞函數(shù)含有三個(gè)右半平面(RHP)零點(diǎn)和兩個(gè)諧振峰值點(diǎn)，增加了控制環(huán)路補(bǔ)償器的設(shè)計(jì)難度。提出了固定中間電感放電時(shí)間的偽連續(xù)導(dǎo)電模式(PCCM)二次型Boost變換器及其控制策略，其輸入電感工作于CCM模式、中間電感工作于固定放電時(shí)間PCCM模式，消除了控制-輸出小信號(hào)傳遞函數(shù)的兩個(gè)RHP零點(diǎn)，在降低控制環(huán)路補(bǔ)償器設(shè)計(jì)難度的同時(shí)，提高了動(dòng)態(tài)響應(yīng)速度，最后通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了理論分析的正確性。

固定放電時(shí)間；二次型Boost變換器；PCCM；快速動(dòng)態(tài)響應(yīng)

近年來，燃料電池發(fā)電系統(tǒng)對(duì)開關(guān)DC-DC變換器的輸入電壓范圍提出了越來越高的要求[1]。二次型DC-DC變換器僅使用一個(gè)開關(guān)管實(shí)現(xiàn)了與占空比成平方關(guān)系的直流電壓傳輸比，拓寬了開關(guān)DC-DC變換器輸入電壓的變化范圍，得到了廣泛關(guān)注[2]。

工作于電感電流連續(xù)導(dǎo)電模式(CCM)的二次型Boost變換器，其控制-輸出傳遞函數(shù)含有三個(gè)右半平面(RHP)零點(diǎn)和兩個(gè)諧振峰值點(diǎn)，增加了控制環(huán)路補(bǔ)償器的設(shè)計(jì)難度，并影響變換器的動(dòng)態(tài)響應(yīng)速度。為了減少二次型Boost變換器RHP零點(diǎn)，提高變換器的動(dòng)態(tài)響應(yīng)速度，本文提出了輸入電感工作于CCM模式，中間電感電流在一個(gè)開關(guān)周期內(nèi)存在充電、放電和續(xù)流三個(gè)狀態(tài)且放電時(shí)間固定的偽連續(xù)導(dǎo)電模式(PCCM)二次型Boost變換器。通過對(duì)中間電感續(xù)流并固定其放電時(shí)間，消除了控制-輸出小信號(hào)傳遞函數(shù)的兩個(gè)RHP零點(diǎn)，在降低控制環(huán)路補(bǔ)償器設(shè)計(jì)難度的同時(shí)，提高了變換器的動(dòng)態(tài)響應(yīng)速度，最后通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了理論分析的正確性。

1 PCCM二次型Boost變換器拓?fù)?/h2>

圖1 二次型Boost變換器

圖2 PCCM二次型Boost變換器

在一個(gè)開關(guān)周期內(nèi)，PCCM二次型Boost變換器存在如圖3所示三個(gè)工作模態(tài)，其主要波形如圖4所示。

圖4 PCCM二次型Boost變換器主要波形

根據(jù)圖4可知：

2 PCCM二次型Boost變換器

2.1 控制策略

PCCM二次型Boost變換器的控制原理框圖如圖5所示。輸出采樣電壓(為輸出電壓采樣系數(shù))與參考電壓比較，通過PI補(bǔ)償器A(s)得到電壓誤差信號(hào)，電壓誤差信號(hào)與三角載波比較，得到開關(guān)管的控制脈沖；將開關(guān)管的控制脈沖反向，疊加固定死區(qū)時(shí)間，得到開關(guān)管的控制脈沖。

圖5 PCCM二次型Boost變換器原理圖

由式(5)整理可得：

2.2 小信號(hào)分析

PCCM變換器的小信號(hào)建模方法與斷續(xù)導(dǎo)電模式變換器一樣[4]。對(duì)于PCCM二次型Boost變換器，定義狀態(tài)變量、輸入量()、輸出量根據(jù)狀態(tài)空間平均等效[5]和式(9)可得PCCM二次型Boost變換器控制-輸出小信號(hào)傳遞函數(shù)：

為了對(duì)比PCCM二次型Boost變換器和二次型Boost變換器的頻域特性，根據(jù)式(10)和文獻(xiàn)[3]給出的二次型Boost變換器控制-輸出小信號(hào)傳遞函數(shù)，可得如圖6所示PCCM二次型Boost變換器和二次型Boost變換器波特圖。由文獻(xiàn)[3]可知二次型Boost變換器含有三個(gè)RHP零點(diǎn)，根據(jù)額定功率下的實(shí)驗(yàn)參數(shù)計(jì)算出其RHP零點(diǎn)為287±j 3 217和99 408，且由圖6(a)可知，二次Boost變換器有兩個(gè)很高的諧振峰值點(diǎn)，增加了控制環(huán)路補(bǔ)償器的設(shè)計(jì)難度；由圖6(b)可知，PCCM二次型Boost變換器沒有諧振峰值點(diǎn)，由額定功率下的實(shí)驗(yàn)參數(shù)計(jì)算出其RHP零點(diǎn)為2 245，與二次型Boost變換器相比減少了兩個(gè)RHP零點(diǎn)，且其相頻特性曲線下降速度較二次型Boost變換器緩慢。因此，PCCM二次型Boost變換器既可降低控制環(huán)路補(bǔ)償器的設(shè)計(jì)難度[3]，又能提高變換器的動(dòng)態(tài)響應(yīng)速度。

圖6 控制-輸出小信號(hào)傳遞函數(shù)波特圖

3 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

為驗(yàn)證理論分析的正確性，設(shè)計(jì)了電壓型控制二次型Boost變換器和PCCM二次型Boost變換器，其主要參數(shù)為：，額定負(fù)載功率=10 W。圖7為額定負(fù)載功率下，二次型Boost變換器和PCCM二次型Boost變換器的穩(wěn)態(tài)波形。由圖7(a)可知，二次型Boost的兩個(gè)電感均工作于CCM模式；由圖7(b)可知PCCM二次型Boost變換器的輸入電感工作于CCM模式，中間電感工作于PCCM模式且固定放電時(shí)間為5 μs。

圖7 額定負(fù)載功率下的穩(wěn)態(tài)波形

圖8和圖9分別為二次型Boost變換器和PCCM二次型Boost變換器的負(fù)載功率從10 W跳變到5 W時(shí)和負(fù)載功率從5 W跳變到10 W時(shí)的實(shí)驗(yàn)波形。由圖8可知，在減載過程中，二次型Boost變換器輸出電壓的調(diào)整時(shí)間、超調(diào)量分別為5.4 ms、270 mV；PCCM二次型Boost變換器輸出電壓的調(diào)整時(shí)間、超調(diào)量分別為400 μs、60 mV。由圖9可知，在加載過程中，二次型Boost變換器輸出電壓的調(diào)整時(shí)間、超調(diào)量分別為5 ms、260 mV；PCCM二次型Boost變換器輸出電壓的調(diào)整時(shí)間、超調(diào)量分別為320 μs、40 mV。在加載和減載過程中，PCCM二次型Boost變換器輸出電壓的調(diào)整時(shí)間、超調(diào)量分別比二次型Boost變換器減小了92.5%和77.7%，動(dòng)態(tài)性能得到極大提升。

4 結(jié)論

為了消除傳統(tǒng)二次型Boost變換器控制-輸出傳遞函數(shù)的諧振峰值點(diǎn)，減少RHP零點(diǎn)，提高變換器的動(dòng)態(tài)響應(yīng)速度，本文提出了中間電感固定放電時(shí)間PCCM二次型Boost變換器，通過對(duì)電感L2續(xù)流并固定其放電時(shí)間，消除了控制-輸出小信號(hào)傳遞函數(shù)的兩個(gè)RHP零點(diǎn)，既降低了控制環(huán)路補(bǔ)償器的設(shè)計(jì)難度，又提高了變換器的動(dòng)態(tài)響應(yīng)速度，最后通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了理論分析的正確性。

圖8 負(fù)載功率從10 W跳變到5 W時(shí)的實(shí)驗(yàn)波形

圖9 負(fù)載功率從5 W跳變到10 W時(shí)的實(shí)驗(yàn)波形

[1]朱選才，徐德鴻，吳屏，等.燃料電池發(fā)電裝置能量管理控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].中國電機(jī)工程學(xué)報(bào)，2008，28(11)：101-106.

[2]楊平，許建平，張士宇，等.峰值電流控制二次型Boost變換器[J].電工技術(shù)學(xué)報(bào)，2011，26(5)：101-107.

[3]張斐，許建平，王金平，等.具有快速動(dòng)態(tài)響應(yīng)的三態(tài)功率因數(shù)校正變換器[J].電機(jī)與控制學(xué)報(bào)，2011，15(1)：13-19.

[4]MA D S，KI W H.Fast-transient PCCM switching converter with freewheel switching control[J].IEEE Transactions on Circuits and Systems，2007，6(1):825-829.

[5]張占松，蔡宣三.開關(guān)電源的原理與設(shè)計(jì)[M].北京：電子工業(yè)出版社，2004.

PCCM quadratic Boost converter with fast transient response

For quadratic Boost converter operating in CCM (continuous conduction mode)， its control to output transfer function has three RHP(Right-half plane)zeros and two high resonances peaks，which makes it difficulty to design the compensator of control loop.A novel PCCM (pseudo continuous conduction mode)quadratic Boost converter and its corresponding control strategy were proposed， the input inductor and middle inductor of which operate in CCM and in PCCM with constant discharging time.Two RHP zeros of control to output transfer function are eliminated.PCCM quadratic Boost converter can not only simplify the design of the compensator of control loop，but also improve the transient response.Experimental results verify the theoretical analysis results.

constant discharging time;quadratic Boost converter;PCCM;transient response

TM 464

A

1002-087 X(2016)04-0899-04

2015-09-13

國家自然科學(xué)基金(51177140)；中央高?；究蒲袠I(yè)務(wù)費(fèi)專項(xiàng)資金(2682013ZT20)。

舒立三(1984—)，男（苗族），湖南省人，碩士，主要研究方向?yàn)殚_關(guān)變換器拓?fù)浼皯?yīng)用。