僅檢測(cè)電感電流的AD/DC升壓變換器非線性載波控制

開關(guān)功率變換器相比于線性功率變換器具有高效、輕巧、成本低等優(yōu)點(diǎn)，因此在便攜式設(shè)備的供電中具備絕對(duì)優(yōu)勢(shì)，在過(guò)去半個(gè)多世紀(jì)里取得了長(zhǎng)足發(fā)展。目前以控制策略改進(jìn)和功率控制器集成化為主要特點(diǎn)的研究趨勢(shì)已日漸明顯。從控制策略的角度，新的功率校正控制策略層出不窮。例如單周期控制(One Cycle Control，OCC)和非線性載波控制(Nonlinear Carrier Control，NLC)都引入非線性控制信號(hào)從而省去乘法器等高成本器件，并能在單周期內(nèi)實(shí)現(xiàn)擾動(dòng)消除。他們的檢測(cè)電路是不同的：?jiǎn)沃芷诳刂苾H檢測(cè)電感電流，而非線性載波控制需要同時(shí)檢測(cè)電感電流和輸出電壓。從功率控制器集成化的角度，智能功率模塊(Intelligent Power Module，IPM)的發(fā)展使得廠商不僅能將功率控制器集成入芯片，更能將功率開關(guān)管(IGBT，MOSFET)以及必要的保護(hù)電路集成。控制器集成化將大大提高功率變換器的工作穩(wěn)定性、降低控制器成本。許多半導(dǎo)體制造商開發(fā)出了變換器的專用控制芯片，如Unitrode(UC3854)，TI(TMS320F240)，AD(ADMC401)，IR(IR1150)等。

在保證控制質(zhì)量不變前提下，功率級(jí)電路的檢測(cè)量越少越有利于控制器的集成化。目前為了完成功率因數(shù)校正，控制器至少需要檢測(cè)：輸入電壓與輸出電壓或者電感電流。通過(guò)分析升壓變換器的工作原理可知，電感電流的變化斜率包含了輸入電壓和輸出電壓的信息?？刂破鳈z測(cè)電感電流可以減少檢測(cè)功率級(jí)電壓信號(hào)時(shí)引入控制器的噪聲，并且電流模式控制具有很多電壓模式控制不具備的優(yōu)點(diǎn)?，F(xiàn)有文獻(xiàn)中利用電感電流斜率代替輸出電壓檢測(cè)的方法有兩種：使用微分電路提取電感電流斜率和線性斜率跟隨器(Linear Ramp Follower，LRF)。然而由于開關(guān)變換器工作在較高頻率，對(duì)電感電流進(jìn)行微分以提取變化斜率信號(hào)可能引入高頻干擾而導(dǎo)致系統(tǒng)不穩(wěn)定。而線性斜率跟隨器利用電流鏡提取與電感電流變化斜率成正比的恒值電流信號(hào)，不僅避免了使用微分器，而且易于集成。

本文使用線性斜率跟隨器設(shè)計(jì)了僅檢測(cè)電感電流進(jìn)行功率因數(shù)校正的非線性載波控制器，功率級(jí)采用升壓型拓?fù)?。該控制器具有以下?yōu)點(diǎn)：無(wú)需電壓檢測(cè)，因此避免引入功率級(jí)電路的噪聲；避免使用復(fù)雜控制元件，如乘法器和微分器；能穩(wěn)定工作在固定開關(guān)頻率下；易于集成。

2 技術(shù)背景

2.1 非線性載波控制

典型的非線性載波控制的模塊框圖如圖1所示。從電路的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)上，NLC是在電荷控制的基礎(chǔ)上添加非線性載波vc(t)，以提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性。對(duì)于升壓變換器，為了滿足高功率因數(shù)和高效率功率轉(zhuǎn)換兩個(gè)目標(biāo)，如圖1所示的非線性載波控制的控制方程如下：

若定義vq(t)=Rsis，vm=Rs(Vo／Vm)，vc(t)=vm(t／Ts)[1-(t／Ts)]，則非線性載波控制的控制過(guò)程可以表述為：電流檢測(cè)信號(hào)vq(t)由開關(guān)電流的積分信號(hào)產(chǎn)生，每周期功率開關(guān)關(guān)斷時(shí)vq(t)會(huì)被開關(guān)S清除；緩慢變化的電壓環(huán)輸出Vm用來(lái)調(diào)制非線性載波vc(t)的幅度；在每一周期的開始，時(shí)鐘信號(hào)CLK將開啟功率管并重置載波發(fā)生器，vq(t)與vc(t)實(shí)時(shí)進(jìn)行比較，當(dāng)兩者相等時(shí)，比較器輸出信號(hào)Q在本周期余下的時(shí)間內(nèi)關(guān)斷功率管。

非線性載波控制從其控制機(jī)理上即能保證變換器取得近似為1的高功率因數(shù)，整個(gè)開關(guān)變換器輸入側(cè)呈現(xiàn)阻性，等效電阻值為：

非線性載波控制器的小信號(hào)模型為(參見圖2)：

其中，對(duì)于升壓變壓器：

2.2 線性斜率跟隨器的工作原理與模型建立

線性斜率跟隨器(圖3)的基本原理是利用電流鏡得到與電感電流變化斜率成正比的恒值電流信號(hào)。圖3所示的LRF實(shí)現(xiàn)電路分成3個(gè)部分工作：斜率提取級(jí)、電流采樣級(jí)和電流保持級(jí)。

斜率提取級(jí)的輸出Iout正比于輸入電流iin的變化斜率：iin在電流檢測(cè)電阻Rs上產(chǎn)生的電壓Vin被送入LRF斜率跟隨級(jí)的電壓跟隨器，因此跟隨器Vout=Rsiin。電容CF上的電壓和電流關(guān)系為：

電流采樣級(jí)利用集成電路中容易實(shí)現(xiàn)的電流鏡將前級(jí)輸出的Iout信號(hào)提取：開關(guān)M1是電壓跟隨器的輸出級(jí)PMOS管，在集成電路中利用電流鏡(集成電路中通過(guò)寬長(zhǎng)比相同的MOS管的電流其值相同)可使I_m1=I_m2=I_out成立；M₃-M₄，M₅-M₆兩對(duì)MOS管構(gòu)成兩組電流源，于是有I_m6=I_m3=I_out。

電流保持級(jí)利用電容保持電壓不變的特性和壓控電流源實(shí)現(xiàn)電流保持：I_m6為電容C_h充電直到開關(guān)k_h關(guān)斷，電容上的電壓V_ch能夠在短時(shí)間保持，V_ch控制下的壓控電流源可以實(shí)現(xiàn)I_ch正比于V_ch。于是：

至于在LRF輸出級(jí)加入電流保持環(huán)節(jié)的原因?qū)⒃诘谌糠种凶龀鼋忉尅?/P>

綜上，線性斜率跟隨器的作用是產(chǎn)生并保持正比于輸入電流變化斜率的恒值電流。為了簡(jiǎn)化分析，上述環(huán)節(jié)的比例系數(shù)均選為1，于是LRF的傳遞函數(shù)可表示為：

其中τ代表電流保持級(jí)的保持時(shí)間。需要說(shuō)明的是，LRF適用于在集成電路設(shè)計(jì)中采用，用分立元件無(wú)法實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)要求。

3 控制器實(shí)現(xiàn)

基于線性斜率跟隨器、僅檢測(cè)電感電流的非線性載波控制器框圖如圖4所示。與傳統(tǒng)非線性載波控制相比，新控制器最大的特點(diǎn)是用線性斜率跟隨器實(shí)現(xiàn)的電感電流檢測(cè)代替原先的輸出電壓檢測(cè)(如圖4中的陰影部分)。因此，取代電壓檢測(cè)回路的電流環(huán)是第三部分工作原理和模型建立的重點(diǎn)。

3.1 控制器工作原理

對(duì)于升壓變換器，一個(gè)周期內(nèi)的電感電流可以表示為(不考慮電感電流每周期的初值)：

電感電流在功率管導(dǎo)通時(shí)流經(jīng)LRF1，在功率管關(guān)斷時(shí)流經(jīng)LRF2，根據(jù)第二部分的分析可知：

于是有：

根據(jù)公式(6)可見，輸出電壓的檢測(cè)完全可以由電感電流的LRF檢測(cè)代替。得到的Io信號(hào)仍然與電壓參考量比較得到電壓誤差信號(hào)用于調(diào)制非線性載波信號(hào)vc(t)的幅值。但需要著重說(shuō)明的是I_up與I_dn信號(hào)的產(chǎn)生存在時(shí)間差。為了能夠?qū)崿F(xiàn)式(6)的兩信號(hào)相加，需要在線性斜率跟隨器中加入電流保持環(huán)節(jié)。由于檢測(cè)信號(hào)需要在開關(guān)管導(dǎo)通時(shí)間內(nèi)產(chǎn)生，因此I_up信號(hào)實(shí)時(shí)產(chǎn)生的同時(shí)上一開關(guān)周期I_dn應(yīng)被保持，保持的時(shí)間為本周期開關(guān)管的導(dǎo)通時(shí)間。

3.2 電流環(huán)模型

本文提出的控制器的小信號(hào)模型如圖5所示，其中電流環(huán)開環(huán)傳遞函數(shù)為：

其中是升壓變換器功率級(jí)的小信號(hào)模型，Rs是電流檢測(cè)電阻，Gm是將Rs上的電壓轉(zhuǎn)換為電流的放大器的跨導(dǎo)值，Ki由式(3)給出。因此電流環(huán)開環(huán)傳遞函數(shù)可以表示為：

圖5中Tiv含義是用電流檢測(cè)代替電壓檢測(cè)后的電流環(huán)路(未免混淆，稱之為電壓-電流環(huán))，他是區(qū)別于傳統(tǒng)非線性載波控制的重要控制環(huán)路。為了方便分析，人為將Tiv環(huán)路分成兩部分分析：開關(guān)k導(dǎo)通時(shí)和開關(guān)k關(guān)斷時(shí)。每一開關(guān)周期，開關(guān)k與功率開關(guān)同時(shí)開啟，此時(shí)：

其中A(s)為誤差放大器的傳遞函數(shù)，Km由公式(3)給出。開關(guān)k與功率開關(guān)同時(shí)關(guān)斷，此時(shí)電感電流的下降信號(hào)需要在計(jì)算斜率的同時(shí)將LRF2輸出信號(hào)在下一個(gè)周期功率開關(guān)導(dǎo)通時(shí)保持，以得到Io信號(hào)計(jì)算新一周期的占空比。綜上開關(guān)k關(guān)斷時(shí)，電壓-電流環(huán)的開環(huán)傳遞函數(shù)加入延時(shí)環(huán)節(jié)τ(s)=D，D為當(dāng)前開關(guān)周期的穩(wěn)態(tài)占空比，于是得到：

將各項(xiàng)傳遞函數(shù)代入后得到電壓-電流環(huán)的小信號(hào)模型。

4 Matlab仿真結(jié)果

由于僅采樣電感電流，因此電流環(huán)的穩(wěn)定性對(duì)于控制器的穩(wěn)定極為重要。針對(duì)一個(gè)應(yīng)用實(shí)例，本文使用Matlab對(duì)電流環(huán)的穩(wěn)定性進(jìn)行仿真。電路參數(shù)如下：主電路參數(shù)L=1 mH，C=400μF，Vo=400 V，RL=800 Ω，fs=100 kHz；控制回路穩(wěn)態(tài)參數(shù)：Rs=0.1 Ω，RsGm=0.1，CF=10 pF，Vm=2.5 V，KinRsCF=1；根據(jù)式(2)計(jì)算得到：Req=16 Ω；誤差放大器參數(shù)：ωo=2π