基于脈沖序列控制技術(shù)的降壓型開關(guān)電源

0 引言

近年來， 隨著電子技術(shù)和信息技術(shù)迅速發(fā)展，開關(guān)電源成為了電子工程領(lǐng)域應(yīng)用和研究的熱點(diǎn)。與線性電源相比， 開關(guān)電源在效率、功率密度、成本等方面顯示出了明顯的優(yōu)勢， 目前已經(jīng)成為主要的DC-DC變換設(shè)備。對開關(guān)電源控制技術(shù)的研究也已成為電力電子技術(shù)領(lǐng)域中最為活躍的部分。

脈沖序列控制( PULSE T rain M， PT ) 是一種新型定頻、非線性的電源控制技術(shù)。該技術(shù)利用脈沖控制器，根據(jù)開關(guān)電源的工作狀態(tài)， 按照一定規(guī)律通過高能量脈沖和低能量脈沖組成的脈沖序列對主電路進(jìn)行控制。與傳統(tǒng)的PWM 控制不同， PT 控制系統(tǒng)沒有延遲環(huán)節(jié)， 對變換器輸入端或輸出端出現(xiàn)的擾動具有較快的響應(yīng)速度。

1 PT 工作原理及調(diào)制特性

1. 1 PT 控制的工作原理

PT 控制技術(shù)通過在兩級固定占空比的高、低能量脈沖中進(jìn)行選擇， 控制開關(guān)管的導(dǎo)通和關(guān)斷， 從而實(shí)現(xiàn)對變換器輸出電壓的調(diào)節(jié)。如果輸出電壓Uo 低于基準(zhǔn)電壓Uref , 控制器將連續(xù)產(chǎn)生高能量脈沖PH 直到輸出電壓達(dá)到基準(zhǔn)電壓值， 高能量脈沖的占空比為DH ; 如果輸出電壓Uo 高于基準(zhǔn)電壓Uref , 控制器將連續(xù)產(chǎn)生低能量脈沖PL 以降低輸出電壓， 低能量脈沖的占空比為DL ( DL DH ) .由于高能量脈沖導(dǎo)通時(shí)間比低能量脈沖導(dǎo)通時(shí)間長， 因此高能量脈沖作用的周期內(nèi)將有更多的能量傳遞至負(fù)載端。圖1( a) 和圖1( b) 分別顯示了PT 控制Buck 變換器結(jié)構(gòu)圖和PT 控制原理示意圖。

圖1 PT 控制電路及原理示意圖

本文以PT 控制技術(shù)應(yīng)用于斷續(xù)導(dǎo)電模式( DiscONt inuous Conduction Mode, DCM) 的Buck 變換器為例進(jìn)行研究。采用斷續(xù)導(dǎo)電模式的優(yōu)勢在于能夠?qū)崿F(xiàn)開關(guān)管的零電流導(dǎo)通和二極管的零電流關(guān)斷。從而減少了開關(guān)損耗和電磁噪聲。高能量脈沖和低能量脈沖的占空比之間的比值k ( k= DH / DL ) 由變換器輸出電壓紋波和功率調(diào)節(jié)范圍折衷確定。

圖1( b) 顯示了PT 控制開關(guān)變換器的輸出電壓和電感電流波形。由于在MOSFET 開關(guān)管導(dǎo)通期間電感電流線性增長， Buck 變換器在高能量脈沖周期內(nèi)開關(guān)管電流的平均值為：

則PH 控制的一個開關(guān)周期內(nèi)從變換器輸入端獲得的能量為：

式中， T 為變換器的開關(guān)周期。

同理， 在一個低能量脈沖周期內(nèi)從變換器輸入端獲得的能量為：

由式( 1) 和( 2) 可知： 低能量脈沖周期內(nèi)變換器傳遞的能量為高能量脈沖周期的1/ k2 .由于高、低能量脈沖周期相同， 故變換器的開關(guān)頻率是固定不變的。

1. 2 PT 控制的實(shí)現(xiàn)方式

本節(jié)設(shè)計(jì)一種簡單實(shí)用的脈沖序列控制器， 如圖2 所示。圖2 中時(shí)鐘信號CP( Clock Pulse) 由峰峰值為- 10 V到+ 10 V 的鋸齒波信號USAW 與電壓信號UGN D ( UGND = 0) 通過比較器Ccp產(chǎn)生; 變換器輸出電壓Uo 與基準(zhǔn)電壓Uref 通過比較器C1 產(chǎn)生電壓信號Ue;觸發(fā)器D 在時(shí)鐘來臨時(shí)刻將電壓信號Ue 傳遞至輸出端Q, 并在下一時(shí)鐘來臨之前保持不變; 比較器C2 將D 觸發(fā)器的輸出信號和鋸齒波進(jìn)行比較產(chǎn)生控制脈沖PH 或PL 實(shí)現(xiàn)對變換器的控制。

上述PT 控制器的工作過程為： 在開關(guān)周期的起始時(shí)刻， 時(shí)鐘信號CP 來臨， 若此時(shí)Uo > Uref , 則Ue 為高電平; 時(shí)鐘信號同時(shí)使觸發(fā)器D 觸發(fā)， 觸發(fā)器輸出信號Ud 在下一時(shí)鐘脈沖來臨前保持高電平不變; 鋸齒波信號USAW 與Ud 經(jīng)過C2 比較， 輸出占空比為DL的低能量脈沖信號P L.若Uo Uref , 則Ue 為低電平;觸發(fā)器輸出信號Ud 在下一時(shí)鐘脈沖來臨前保持低電平不變; 鋸齒波信號USAW 與Ud 比較產(chǎn)生占空比為DH的高能量脈沖信號PH .PT 控制器主要工作波形如圖2( b) 所示。

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