鄭昕昕，肖嵐，劉新天，何耀，曾國建（.合肥工業(yè)大學(xué)新能源汽車工程研究院，安徽合肥30009；.南京航空航天大學(xué)自動(dòng)化學(xué)院，江蘇南京006）

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兩級(jí)寬輸入開關(guān)電源占空比振蕩的幾何分析

鄭昕昕1，肖嵐2，劉新天1，何耀1，曾國建1
（1.合肥工業(yè)大學(xué)新能源汽車工程研究院，安徽合肥230009；
2.南京航空航天大學(xué)自動(dòng)化學(xué)院，江蘇南京210016）

摘要：研究了一種電流控制型雙BUCK級(jí)聯(lián)形式的寬輸入開關(guān)電源，其適應(yīng)輸入電壓的寬范圍變化，能夠隨輸入電壓的變化而調(diào)整工作模態(tài)，從而減小電路損耗與器件的電壓應(yīng)力。然而采用電流型控制方式會(huì)導(dǎo)致次諧波振蕩，導(dǎo)致系統(tǒng)的不穩(wěn)定，從幾何角度分析了引起功率管占空比振蕩的原因，介紹了電流的斜坡補(bǔ)償技術(shù)，并在仿真分析的基礎(chǔ)上搭建了實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，從而驗(yàn)證了設(shè)計(jì)方案的可行性。

關(guān)鍵詞：寬輸入；電流檢測(cè)；電流斜坡補(bǔ)償；開關(guān)電源

電源市場(chǎng)的全球化，保證開關(guān)電源在全球各種不同的供電系統(tǒng)下都能正常工作已成為當(dāng)前的一個(gè)新的課題［1］，因此，通常的DC/DC變換器都有一定的輸入電壓適應(yīng)范圍［2］。本文介紹了一種雙BUCK級(jí)聯(lián)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的寬輸入DC/DC變換器，輸入電壓范圍為DC 50～150 V，輸出DC 30 V，采用電流控制型脈寬調(diào)制對(duì)后級(jí)變換器進(jìn)行閉環(huán)控制，電路簡(jiǎn)單，前級(jí)變換器開環(huán)控制，將較高輸入電壓降至較低電壓后由后級(jí)進(jìn)行穩(wěn)壓，減小了電路的開關(guān)損耗，提高變換器效率。

1　變換器結(jié)構(gòu)及控制策略

對(duì)于單級(jí)式BUCK變換器，由于輸出電壓一定，輸入電壓越高，開關(guān)管導(dǎo)通時(shí)間越短，其在關(guān)斷期間承受的電壓越高，而電路中的整流二極管則會(huì)在開關(guān)管導(dǎo)通期間承受高壓窄脈沖，這會(huì)導(dǎo)致電路中元器件的溫度急劇上升，變換器效率下降，這就要求開關(guān)器件有很高的開關(guān)速度，大大增加了變換器的成本［3］。而雙BUCK級(jí)聯(lián)拓?fù)涞腄C/DC變換器通過前級(jí)降壓變換后再進(jìn)行穩(wěn)壓，能夠減輕單級(jí)變換器在寬電壓范圍工作時(shí)所承受的負(fù)擔(dān)，大大增強(qiáng)了其對(duì)寬電壓輸入的適應(yīng)能力，且無需耗費(fèi)太大成本。

變換器主電路拓?fù)淙鐖D1所示。其中S1，S2為前后級(jí)開關(guān)功率管，其占空比分別為D1，D2；VD1，VD2為前后級(jí)整流二極管；iL1,iL2為流過電感L1，L2的電流；Ro為變換器負(fù)載。當(dāng)輸入直流電壓小于30 V時(shí)，變換器前后級(jí)都直通，當(dāng)輸入電壓大于30 V且小于70 V時(shí)，變換器處于欠壓狀態(tài)，前級(jí)功率管直通，僅后級(jí)變換器工作，電路實(shí)際上為一單級(jí)BUCK變換器，當(dāng)輸入電壓升至70 V以上時(shí)，開環(huán)控制前級(jí)功率管，固定占空比D1= 0.5，后級(jí)BUCK變換器閉環(huán)工作，采用電流控制型脈寬調(diào)制，保證輸出穩(wěn)壓。

圖1　主電路拓?fù)銯ig. 1 Main circuit topology

2　占空比振蕩的原因和解決方法

2.1電流控制型脈寬調(diào)制穩(wěn)定性分析

電流控制型脈寬調(diào)制將電壓反饋Uf與基準(zhǔn)電壓Uref的誤差放大信號(hào)作為電流基準(zhǔn)Iref，與電流采樣信號(hào)If進(jìn)行比較，輸出信號(hào)作為RS鎖存器的輸入［4］，原理如圖2所示。時(shí)鐘信號(hào)CLK頻率恒定，當(dāng)If小于Iref時(shí)，比較器輸出端即RS鎖存器的R端為低電平，鎖存器輸出端為高電平，當(dāng)If高于Iref時(shí)，比較器輸出高電平，鎖存器置0（復(fù)位），鎖存器輸出端變?yōu)榈碗娖剑钡较乱粫r(shí)鐘脈沖使鎖存器置1（置位）輸出高電平。

圖2　電流控制型脈寬調(diào)制Fig.2 Current controlled PWM

當(dāng)電路遇到干擾時(shí)，例如輸入電壓或負(fù)載發(fā)生變化，采用電流控制型脈寬調(diào)制具有很快的響應(yīng)速度［5］。例如當(dāng)輸入電壓升高時(shí)，流過開關(guān)管的電流增大，當(dāng)檢測(cè)到的反饋電流達(dá)到電流基準(zhǔn)時(shí)，比較器輸出立即翻轉(zhuǎn)，關(guān)斷開關(guān)管，以保證輸出電壓的穩(wěn)定。而對(duì)于電壓控制型脈寬調(diào)制技術(shù)來說，必須等檢測(cè)到輸出電壓發(fā)生變化后才能夠?qū)γ}寬進(jìn)行調(diào)制，動(dòng)態(tài)響應(yīng)速度很慢。

采用電流型控制方式會(huì)出現(xiàn)一種不穩(wěn)定現(xiàn)象，表現(xiàn)為當(dāng)輸入電壓較低時(shí)，功率管的占空比會(huì)忽大忽小，輸出不穩(wěn)定，稱之為次諧波振蕩。次諧波振蕩產(chǎn)生的原因是，當(dāng)輸入電壓較低時(shí)，后級(jí)BUCK電路功率管的占空比D2＞0.5，如果在第n開關(guān)周期的起始點(diǎn)處，電感電流有一個(gè)大于0的擾動(dòng)量，那么在這個(gè)周期結(jié)束后，這個(gè)擾動(dòng)量被放大α倍，且α＞1，作為第n+1周期的初始擾動(dòng)量。如圖3a所示為電流擾動(dòng)量1個(gè)周期內(nèi)隨時(shí)間變化情況，將其幾何化，如圖3b所示。

圖3　占空比大于0.5時(shí)的電流擾動(dòng)Fig. 3 Current disturbance when the duty greater than 0.5

從幾何圖形分析可知，三角形ABC全等于三角形A′B′C′，故BB′=CC′，α＜β，有

ΔI1=EB=BB′tanα＜CC′tanβ=CD=ΔI2（1）

可見擾動(dòng)量經(jīng)過1個(gè)周期后會(huì)被放大，在第n+1個(gè)周期結(jié)束后，擾動(dòng)量又放大了α倍，擾動(dòng)量的變化頻率為開關(guān)頻率的一半。這個(gè)擾動(dòng)量是不斷增加的，因此系統(tǒng)是不穩(wěn)定的。

當(dāng)輸入電壓繼續(xù)上升，占空比減小至0.5以下后，如圖4a所示，每經(jīng)過1個(gè)周期，電流擾動(dòng)量會(huì)減小，將其幾何化如圖4b所示。

可以看出，α＞β，則有

ΔI1=EB=BB'tanα＞CC'tanβ=CD=ΔI2（2）

擾動(dòng)量最終趨于0，系統(tǒng)穩(wěn)定，因此當(dāng)占空比小于0.5時(shí)，不會(huì)出現(xiàn)次諧波振蕩。

2.2斜坡補(bǔ)償原理

為消除次諧波振蕩，可給電流基準(zhǔn)加一負(fù)斜率斜坡補(bǔ)償，如圖5a所示，幾何分析見圖5b。

圖4　占空比小于0.5時(shí)的電流擾動(dòng)Fig. 4 Current disturbance when the duty smaller than 0.5

圖5　電流斜坡補(bǔ)償原理Fig.5 Principle of current slope compensation

其中I′ref即為補(bǔ)償后的電流基準(zhǔn)，設(shè)電流上升斜率為m1，下降斜率為m2，補(bǔ)償斜坡的斜率為m，若要使電流擾動(dòng)經(jīng)過1個(gè)周期后被縮小，即ΔI1＞ΔI2，則m需滿足一定的條件。由圖5b幾何分析可知

在實(shí)際電路實(shí)現(xiàn)中，由于新的電流基準(zhǔn)I′ref是補(bǔ)償前的電流基準(zhǔn)Iref減去斜坡補(bǔ)償，因此補(bǔ)償后的電流波形應(yīng)為電感電流與斜坡補(bǔ)償之和，可以將一正斜率的斜坡信號(hào)加至電流比較器輸入端進(jìn)行斜坡補(bǔ)償。文中所設(shè)計(jì)的雙BUCK級(jí)聯(lián)寬輸入開關(guān)電源的后級(jí)采用電流控制型脈寬調(diào)制器UC3846進(jìn)行閉環(huán)控制，通過圖6所示電路加入斜坡補(bǔ)償。其中C1濾掉了CT腳產(chǎn)生的鋸齒波直流分量，R1，R2決定了補(bǔ)償斜坡信號(hào)的斜率m［6］。

圖6　斜波補(bǔ)償電路Fig.6 Slope compensation circuit

3　仿真和實(shí)驗(yàn)結(jié)果

對(duì)電路搭建了仿真模型進(jìn)行仿真分析，不考慮輸入欠壓時(shí)后級(jí)BUCK變換器單獨(dú)工作的情況，輸入直流電壓范圍70～150 V，兩級(jí)BUCK變換器級(jí)聯(lián)工作，輸出直流電壓30 V，最大輸出功率為600 W，前級(jí)開環(huán)控制，固定占空比D1=0.5，采用電流控制型脈寬調(diào)制集成電路UC3846對(duì)后級(jí)BUCK變換器進(jìn)行控制。

圖7a所示為未加斜坡補(bǔ)償時(shí)，當(dāng)輸入電壓躍變，后級(jí)功率管占空比從大于0.5變化為小于0.5時(shí)電路相關(guān)參數(shù)的變化，從上到下依次為輸入電壓、后級(jí)電感電流、補(bǔ)償后的電流和后級(jí)功率管驅(qū)動(dòng)波形，可以看出，當(dāng)占空比大于0.5時(shí)，功率管驅(qū)動(dòng)的占空比是震蕩的，電路不穩(wěn)定，而當(dāng)輸入電壓增加，后級(jí)變換器的占空比減小至0.5以下后，擾動(dòng)趨于0，電路穩(wěn)定。

圖7　占空比減至0.5以下時(shí)的參數(shù)變化Fig. 7 Parameters when the duty cycle drops below 0.5

加入斜坡補(bǔ)償后，無論占空比是否大于0.5，占空比都不會(huì)發(fā)生振蕩，如圖7b所示。波形從上到下依次為后級(jí)電感電流、斜坡補(bǔ)償、補(bǔ)償后的電流、后級(jí)功率管驅(qū)動(dòng)波形和輸入電壓，可以看出，電路一直是穩(wěn)定的。

基于仿真結(jié)果搭建了實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，當(dāng)輸入低于70 V時(shí)，控制前級(jí)變換器直通，高于70 V時(shí)兩級(jí)共同工作，實(shí)驗(yàn)條件與仿真條件相同。圖8給出了電感電流波形和斜坡補(bǔ)償信號(hào)，可以看出，電感電流連續(xù)，加入斜坡補(bǔ)償后其每周期形狀不再為三角形，而是疊加了1個(gè)斜坡信號(hào)。

圖8　電感電流和斜坡補(bǔ)償Fig.8 Inductor current and slope compensation

圖9給出了輸入150 V時(shí)變換器的外特性曲線，加至滿載后，輸出電壓下降0.6 V，變換器電壓精度為2%，根據(jù)GJB 1412—94，航天地面低壓直流電源電壓精度應(yīng)小于3%，滿足要求［7］。此外，當(dāng)影響量發(fā)生突變時(shí)，要求電路暫態(tài)恢復(fù)時(shí)間不超過1 s，圖10所示為突加、突卸負(fù)載時(shí)輸出電壓的變化情況，可以看出，電路恢復(fù)穩(wěn)定時(shí)間為3 ms，均滿足要求。

圖9　變換器外特性曲線Fig. 9 Performance contour curve of the converter

實(shí)驗(yàn)測(cè)得滿載時(shí)輸出電壓紋波為120 mV，小于國標(biāo)所規(guī)定的最大值800 mV。滿載效率為90.7%，電路運(yùn)行時(shí)噪音較小，輸入電壓較低時(shí)開關(guān)功率管占空比無震蕩現(xiàn)象，因此電路具有良好的輸出穩(wěn)定性和較硬的外特性，采用電流控制使電路暫態(tài)恢復(fù)時(shí)間較小，電路效率較高。

圖10　突加、突卸負(fù)載時(shí)輸出電壓的變化Fig. 10 Output voltage changes when sudden，unload and load

4　結(jié)論

雙BUCK級(jí)聯(lián)式寬輸入DC/DC變換器適用于低壓大電流的輸出環(huán)境，相比于單級(jí)式BUCK變換器，其降低了大范圍變化的輸入電壓條件下器件的開關(guān)損耗及電壓應(yīng)力，電路簡(jiǎn)單，能夠降低電路成本和延長(zhǎng)使用壽命。通過斜坡補(bǔ)償能夠有效抑制驅(qū)動(dòng)信號(hào)占空比的震蕩，提高變換器系統(tǒng)工作的可靠性，變換器能夠在寬電壓輸入范圍內(nèi)穩(wěn)定工作。

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修改稿日期：2015-12-22

Geometric Analysis of Duty Shocks for Two-stage Wide-input Switching Power Supply

ZHENG Xinxin1，XIAO Lan2，LIU Xintian1，HE Yao1，ZENG Guojian1
（1. New Energy Automobile Engineering Research Institute，Hefei University of Technology，Hefei 230009，Anhui，China；2. College of Automation，Nanjing University of Aeronautics and Astronautics，Nanjing 210016，Jiangsu，China）

Abstract：Analyzed a current-controlled double-BUCK cascade converter of wide-input switching power supply. Which the range of the input voltage is wide and the working modes can be changed according to the input voltage. The circuit loss and the voltage stress can be reduced. The sub harmonic oscillation would be introduced by the current-type control. The system might instable. The reason of duty shocks from the geometric point of view and the slope compensation were discussed. The current slope compensation was introduced. An experimental platform based on the simulation results was established to prove the feasibility of the scheme.

Key words：wide-input；current detection；current slope compensation；switching power supply

中圖分類號(hào)：TM46

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

基金項(xiàng)目：國家自然科學(xué)基金（51377082）；安徽省國際合作項(xiàng)目（1303063010）；博士學(xué)位專項(xiàng)資助基金（JZ2015HGBZ0456）

作者簡(jiǎn)介：鄭昕昕（1987-），女，博士，Email：zxx2126@163.com

收稿日期：2015-05-11