陳璐珈，夏益輝，孫力，葉志浩，黃靖

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基于Buck型DC/DC變換器的移相脈寬調(diào)制策略

陳璐珈1，夏益輝1，孫力2，葉志浩1，黃靖1

(1. 海軍工程大學(xué) 電氣工程學(xué)院，武漢 430033；2. 海軍92730部隊，三亞 572016)

Buck型DC/DC變換器采用傳統(tǒng)脈沖寬度調(diào)制時，輸出電壓諧波頻次比較豐富，對于一些對特殊頻次諧波比較敏感設(shè)備來講，這是極為不利的，為了消除或降低某些頻次諧波含量，提出一種移相脈寬調(diào)制策略。介紹了Buck型DC-DC變換器的基本結(jié)構(gòu)，對比分析了傳統(tǒng)脈寬調(diào)制和移相脈寬調(diào)制策略對輸出電壓諧波分布的影響，并對兩種脈寬調(diào)制下輸出電壓和電感電流性能進(jìn)行了仿真研究。仿真結(jié)果表明所提移相脈寬調(diào)制具有更小的輸出電壓紋波。

傳統(tǒng)脈沖寬度調(diào)制 移相脈寬調(diào)制 輸出電壓紋波 DC-DC變換器

0 引言

高功率密度高性能DC-DC變換器廣泛用于現(xiàn)代工業(yè)、家庭生活和國防等領(lǐng)域，隨著電力電子技術(shù)和控制水平的不斷提高，DC/DC變換器正朝著更高功率等級、更高電壓等級、更高效率和更高功率密度等方向發(fā)展[1,2]。

傳統(tǒng)的Buck電路具有電路簡單、易于控制和技術(shù)成熟等優(yōu)點(diǎn)，廣泛用于DC-DC變換器中。文獻(xiàn)[3]提出一種自適應(yīng)占空比跨周期控制方法，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明該方法可以獲得更小的紋波系數(shù)和更強(qiáng)的系統(tǒng)穩(wěn)定性與瞬態(tài)響應(yīng)能力；文獻(xiàn)[4,5]提出采用固定關(guān)斷時間控制用于提高系統(tǒng)動態(tài)響應(yīng)速度和輕載效率等；文獻(xiàn)[6]對固定關(guān)斷時間控制進(jìn)行了改進(jìn)，有效提高了系統(tǒng)穩(wěn)定性；文獻(xiàn)[7,8]分析了脈沖頻率技術(shù)對DC/DC效率影響。

針對Buck型DC/DC變換器采用傳統(tǒng)脈沖調(diào)制策略時輸出電壓諧波含量豐富的問題，提出一種移相脈寬調(diào)制策略，以期可以根據(jù)負(fù)載運(yùn)行特性，消除或降低某些頻次諧波的影響。首先，對buck型DC/DC變換器的基本拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)進(jìn)行了介紹；其次，對比分析與研究了傳統(tǒng)脈寬調(diào)制和移相脈寬調(diào)制對輸出電壓諧波分布的影響；最后，對理論分析進(jìn)行了仿真驗(yàn)證，仿真結(jié)果表明所提移相脈寬調(diào)制可以獲得更小的輸出電壓紋波。

1 Buck型DC/DC變換器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

Buck型DC/DC變換器電路結(jié)構(gòu)如圖1所示，主要包括功率管S1、二極管D1、濾波電感L和濾波電容C。其中，濾波電感用于濾除高頻諧波電流，濾波電容用于濾除高頻諧波電壓，二極管D1用于功率管S1斷開時續(xù)流。

圖1 Buck型DC/DC變換器電路結(jié)構(gòu)

2 Buck型DC/DC變換器移相脈寬調(diào)制

2.1 Buck型DC/DC變換器傳統(tǒng)調(diào)制策略

Buck型DC/DC變換器基本工作原理為：當(dāng)功率管S1導(dǎo)通時，電源向電容C充電和負(fù)載供電；當(dāng)功率管S1關(guān)斷時，電容C向負(fù)載供電，同時電感中的電流經(jīng)電容C和二極管D1續(xù)流。輸出電壓0為一個開關(guān)周期內(nèi)的平均電壓。

圖2 功率管開關(guān)信號、電感電流和輸出電壓

圖2為傳統(tǒng)調(diào)制策略下功率管開關(guān)信號、電感電流i（電感電流連續(xù)模式進(jìn)行研究）和輸出電壓0波形。圖中輸出電壓可由一個周期函數(shù)(ωt)來表示。

其中，

由此可知，輸出電壓中含有豐富的諧波含量。

2.2 Buck型DC/DC變換器移相調(diào)制策略

圖3為移相調(diào)制策略下功率管開關(guān)信號、電感電流i和輸出電壓0波形。圖中輸出電壓可由一個周期函數(shù)’(ωt)來表示。

其中，、與式(1)相同，為移相角度，0￡￡2π-。對輸出電壓0進(jìn)行傅里葉分解可表示為：

2.3 移相脈寬調(diào)制對輸出電壓諧波特性的影響

從式(5)可知，當(dāng)完全消除奇次諧波時，偶次諧波幅值達(dá)到最大；當(dāng)完全消除偶次諧波時，奇數(shù)諧波幅值達(dá)到最大值，通過改變移相角可以靈活改變輸出電壓諧波特性。因此，根據(jù)負(fù)載運(yùn)行特性，通過改變移相角可有效避免某些特殊頻率對負(fù)載運(yùn)行特性的影響。

圖3 功率管開關(guān)信號、電感電流和輸出電壓

(a)傳統(tǒng)調(diào)制策略

表1 Buck型DC-DC變換器參數(shù)

3 仿真驗(yàn)證

為了驗(yàn)證所提移相脈寬調(diào)制用于Buck型DC-DC變換器是否可行，對其進(jìn)行了仿真研究，仿真參數(shù)如表1所示。

圖4(a)、(b)分別為D=0.4時傳統(tǒng)調(diào)制和移相脈寬調(diào)制下輸出電壓和電感電流仿真波形，圖5(a)、(b)分別為D=0.6時傳統(tǒng)調(diào)制和移相脈寬調(diào)制下輸出電壓和電感電流仿真波形。由圖4和圖5可知，移相脈寬調(diào)制下輸出電壓紋波為0.29%(D=0.4)和1.9%(D=0.6)，低于傳統(tǒng)調(diào)制策略輸出電壓紋波系數(shù)2.9%(D=0.4)和2.6%(D=0.6)，移相脈寬調(diào)制和傳統(tǒng)調(diào)制策略作用下電感電流紋波系數(shù)基本接近，因此，采用移相脈寬調(diào)制可以獲得較好的輸出性能。

(a)傳統(tǒng)調(diào)制策略

4 結(jié)論

針對Buck型DC/DC傳統(tǒng)脈寬調(diào)制輸出電壓諧波含量較為豐富的問題，提出一種移相脈寬調(diào)制策略，對比研究了兩種調(diào)制策略下輸出電壓諧波分布情況，通過對理論進(jìn)行推導(dǎo)和仿真結(jié)果進(jìn)行分析，得出如下結(jié)論：

1）移相脈寬調(diào)制可以獲得更小的輸出電壓紋波系數(shù)；

2）移相脈寬調(diào)制與傳統(tǒng)脈寬調(diào)制下電感電流紋波系數(shù)基本相同。

[1] Ni L Q, Dean J, Patterson J L．High power current sensorless bidirectional 16-phase interleaved DC-DC converter for hybrid vehicle application[J]．IEEE Transactions on Power Electronics, 2012, 27(3): 1141-1151．

[2] De D, Klumpener C, Patel C, et al．Modeling and control of a multi-stage interleaved DC-DC converter with coupled inductors for super-capacitor energy storage system[J]．IET Power Electronics, 2013, 6(7): 1360-1375．

[3] 李航標(biāo), 張波, 羅萍, 等. 開關(guān)DC-DC變換器的自適應(yīng)占空比跨周期控制方法[J]. 電子與信息學(xué)報, 2014, 36(9): 2265-2271.

[4] 劉德尚．片上紋波補(bǔ)償高精度AOT控制Buck變換器的研究與設(shè)計[D]. 電子科技大學(xué), 2014．

[5] Redl R, Sun J. Ripple-based control of switching regulators-an overview[J]．IEEE Transactions on Power Electronics, 2009, 24(12): 2669-2680．

[6] Bao B C, Zhang X, Xu J P, etc．Critical ESR of output capacitor for stability of fixed off-time controlled buck converter[J]. Electronics Letters, 2013, 49(4): 287-288．

[7] Tao C W, Payed A．Output spectrum analysis of buck converter in DCM with PFM control[C]. IEEE International Sympooium on Circuit and Systems, 2012: 2267-2270．

[8] 張希, 許建平, 包伯成, 等．固定關(guān)斷時間控制Buck變換器斜坡補(bǔ)償技術(shù)及其機(jī)理研究[J]. 中國電機(jī)工程學(xué)報, 2014, 34(36): 6426-6434．

[9] Zhang X, Makoimovic．Multimode digital controller for synchronous buck converter operating over wide range of input voltage and load current[C]．IEEE Transactions on Power Electronics, 2010, 25(8): 1958-1965．

Shift Phase Pulse Width Modulation Based on Buck DC-DC Converter

Chen Lujia1, Xia Yihui1, Sun Li2, Ye Zhihao1, Huang Jing1

(1. College of Electric Engineering, Naval University of Engineering, Wuhan 430033, China; 2. Navy 92730 Sanya 572016, China)

TM46

A

1003-4862（2018）12-0053-04

2018-07-13

陳璐珈（1986-），本科，研究方向：電氣工程及其自動化。E-mail: 594780016@qq.com

夏益輝（1987-），男，講師，博士。研究方向?yàn)殡娏﹄娮优c電力傳動。E-mail: xiayihui2005@163.com