（電力電子與電力傳動(dòng)專(zhuān)業(yè)論文）開(kāi)關(guān)電源控制方法的研究.pdf

o a b s t r a c t t h ec o n t r o lt e c h n i q u e so fs w i t c h i n g c o n v e r t e r sa r e c o m p l e t e l y d e s c r i b e da n da n a l y z e d t h et e c h n i q u e sw i t ht w od i f f e r e n tm e t h o d sa r e c l a s s i f i e da s t h em o d eo fp u l s ew i d t hm o d u l a t e d a n dt h ed i f f e r e n c eo f c o n t r o ls i g n a l t h ea d v a n t a g e sa n dd i s a d v a n t a g e so fe a c hm e t h o di s a n a l y z e da n dc o m p a r e d a n dw h e r ee a c hm e t h o di s m o r ea d a p t e dt oi s p o i n t e do u t v 2c o n t r o lt e c h n i q u ei s a n a l y z e da n ds t u d i e di n t e n t l y f o rw h i c h r e s p o n s e sm o r eq u i c k l yt o t h ec h a n g eo fl o a dc o m p a r e dw i t hc u r r e n t c o n t r o lm e t h o d i ti ss h o w nt h a tv 2c o n t r o lt e c h n i q u ea n dc u r r e n tc o n t r o l m e t h o dh a st h es a m el i n er e s p o n s e b u tt h el o a dr e s p o n s eo fv 2c o n t r o l t e c h n i q u ei sm u c hf a s t e rt h a nt h a to ft h ec u r r e n tc o n t r o lm e t h o d t h ep r i n c i p l eo fs t a t e s p a c ea v e r a g i n ga n dl i n e a r i z a t i o ni sd i s c u s s e d t h es m a l l s i g n a lm o d e l sf o rt h es w i t c h i n gc o n v e r t e r sa r ea l s od e d u c t e d i e t h er e g u l a t o r so p e n l o o pg a i nf u n c t i o n i n p u tv o l t a g es u s c e p t i b i l i t ya n d o u t p u ti m p e d a n c e w h i c hc o n t r o l l e db yv o l t a g em o d e c u r r e n tm o d ea n dv 2 c o n t r o lt e c h n i q u es e p a r a t e l y t h ef e a t u r e so ft h r e ec o n t r o lm o d e sa r eg i v e n t h et h e o r yo fi n t e r l e a v i n gt e c h n i q u ei sd i s c u s s e db r i e f l y t h e p e r f o r m a n c e o ft h e o n e c h o k e i n t e r l e a v i n ga p p r o a c h i s a n a l y z e d i n c o m p a r i n gw i t ht h et w o c h o k ei n t e r l e a v i n ga p p r o a c h t w oi m p l e m e n t a t i o n m e t h o d sa r eb r o u g h to u tt oc o n t r o lt h ec o n v e r t e rp e r f o r m i n gi n t e r l e a v e d t h ep r i n c i p l eo ft h em e t h o d si sa n a l y z e d p s p i c ea n dm a t l a bs i m u l a t i o na r ee m p l o y e di nt h ep a p e r t h e s i m u l a t i o nr e s u l t sa r ei np o s i t i v ew i t ht h et h e o r y k e y w o r d s c o n t r o lt e c h n i q u e c u r r e n tm o d e v o l t a g em o d e v 2c o n t r o lt e c h n i q u e s m a l l s i g n a lm o d e li n t e r l e a v i n g c h e n g d u2 0 0 1 西南交通大學(xué)研究生學(xué)位論文第1 頁(yè) 第一章緒論 電力電子技術(shù)是研究電能變換原理與變換裝置的綜合性學(xué)科 它 利用功率半導(dǎo)體器件和無(wú)源功率元件 微處理器及大規(guī)模集成電路 變換理論 傳感與信息處理技術(shù) 現(xiàn)代控制理論 計(jì)算機(jī)仿真與輔助 設(shè)計(jì)技術(shù) 以功率變換電路為核心對(duì)電能進(jìn)行變換與控制 所以整個(gè) 電路可以分為功率級(jí)和控制級(jí)兩部分 功率級(jí)設(shè)計(jì)的首要任務(wù)是根據(jù) 不同的應(yīng)用選擇相應(yīng)的變換拓?fù)?變換拓?fù)涞倪x擇往往要兼顧電力半 導(dǎo)體器件的選擇 電力半導(dǎo)體器件是具體電路能否實(shí)現(xiàn)的關(guān)鍵 從某 種意義上講 電力半導(dǎo)體器件已經(jīng)成為電力電子技術(shù)發(fā)展的瓶頸 在 低成本 高功率密度電源設(shè)計(jì)中 電力半導(dǎo)體器件的選擇尤為重要 控制級(jí)的設(shè)計(jì)主要根據(jù)對(duì)性能指標(biāo)要求的不同選擇相應(yīng)的控制方法 功率變換的控制方法主要有電壓型控制方法 電流型控制方法 電荷 型控制方法和v 2 控制方法等 電力電予器件 變換拓?fù)潆娐泛涂刂萍?術(shù)是進(jìn)行電力電子技術(shù)研究的三個(gè)主要方面 第一節(jié)電力電子器件的現(xiàn)狀與展望 電力半導(dǎo)體器件是電力電子應(yīng)用裝置的基礎(chǔ) 一種新型電力半導(dǎo) 體器件的出現(xiàn) 總是帶來(lái)一場(chǎng)電力電子技術(shù)的革命 電力半導(dǎo)體器件 的研究 一直是該領(lǐng)域極為活躍的主要課題之一 電力半導(dǎo)體器件的 發(fā)展經(jīng)歷了晶閘管 s c r 可關(guān)斷晶閘管 g t o 功率晶體管 g t r 功率m o s f e t 和絕緣門(mén)極晶體管 i g b t 等 一 電力電子器件的回顧 1 半控型器件 1 9 5 7 年美國(guó)通用電氣公司發(fā)明了第一只晶閘管 標(biāo)志著電力電子 技術(shù)的開(kāi)端 1 利用晶閘管的變流技術(shù)很快取代了傳統(tǒng)的電動(dòng)發(fā)電機(jī) 組和水銀整流器 隨著微電子技術(shù)的發(fā)展 晶閘管的派生器件越來(lái)越 c h e n g d u2 0 0 1 西南交通大學(xué)研究生學(xué)位論文第2 頁(yè) 多 到了7 0 年代 已經(jīng)派生了快速晶閘管 逆導(dǎo)晶閘管 雙向晶閘管 不對(duì)稱(chēng)晶閘管等器件 電力半導(dǎo)體器件的功率越來(lái)越大 性能日臻完 善 然而由于晶閘管的固有特性 工作頻率較低 一般低于4 0 0 h z 大大限制了它的應(yīng)用范圍 并且晶閘管是半控器件 要想關(guān)斷這些器 件 必須要有強(qiáng)迫換相電路 使得整體體積增大 重量增大 效率降 低 可靠性下降 2 全控型器件 既可以控制開(kāi)通又可以控制關(guān)斷的電力半導(dǎo)體器件稱(chēng)為全控型器 件 此類(lèi)電力半導(dǎo)體器件大大提高了開(kāi)關(guān)控制的靈活性 從7 0 年代后 期開(kāi)始 可關(guān)斷晶閘管 g t o 電力晶體管 g t r 或b j t 及其模塊 相繼實(shí)用化 在中 大容量的變流裝置中 傳統(tǒng)的晶閘管逐漸被這些 新型器件取代 此后各種高頻率的全控型器件不斷問(wèn)世 并得到迅速 發(fā)展 這些器件主要有 電力場(chǎng)控晶體管 即功率m o s f e t 絕緣柵 極雙極晶體管 i g t 或i g b t 靜電感應(yīng)晶體管 s i t 靜電感應(yīng)晶 閘管 s l t h 等 這些器件的產(chǎn)生和發(fā)展 已經(jīng)形成了一個(gè)新型的全 控電力電子器件的大家族 二 電力電子器件的最新發(fā)展 現(xiàn)代電力電子器件仍然在向大功率 易驅(qū)動(dòng)和高頻化方向發(fā)展 另外 電力電子模塊化是電力電子向高功率密度發(fā)展的重要的一步 當(dāng)前電力電子器件的主要成果有 2 3 1 i g c t 一集成門(mén)極換流晶閘管 i n t e g r a t e dg a t ec o m m u t a t e d t h y r i s t o r s i g c t 是一個(gè)將門(mén)極驅(qū)動(dòng)器與以低電感封裝的g t o 元件相集成的 組件 改進(jìn)的結(jié)果進(jìn) 步增加了g t of j 極電流的變化率 一鐫 d t 使門(mén)極電流 尼口 在一微秒內(nèi)上升到陽(yáng)極電流的幅值 此時(shí) g t o 的門(mén)極一陰極結(jié)迅速恢復(fù)阻斷 幾乎所有的陽(yáng)極電流都轉(zhuǎn)向門(mén)極抽出 從而減輕了原g t o 存在的非均勻關(guān)斷和陰極電流收縮效應(yīng) 與常規(guī)的g t o 晶閘管相比 它具有許多優(yōu)良的特性 不用緩沖電 c h e n g d u2 0 0 1 西南交遙大學(xué)研究生學(xué)位論文 第3 頁(yè) 路就能夠?qū)崿F(xiàn)可靠關(guān)斷 存儲(chǔ)時(shí)間短 開(kāi)通能力強(qiáng) 關(guān)斷門(mén)極電荷少 和應(yīng)用系統(tǒng) 包括所有器件和外圍部件如陽(yáng)極電抗器和緩沖電容器等 總的功率損耗低等 因此 在大功率m c t 未問(wèn)世以前 i g c t 有望成 為高功率高電壓低頻變流器的優(yōu)選功率器件之一 目前 4 5 k v 1 9 k v 2 7 k v 直流鏈 及5 5 k v 3 3 k v 直流鏈 2 7 5 a i 3 1 2 0 a 的i g c t 已研制成功 2 i e g t 一電子注入增強(qiáng)柵晶體管 i n j e c t i o ne n h a n c e dg a t e t r a n s i s t o r 近年來(lái) 日本東芝開(kāi)發(fā)了i e g t i e g t 利用了 電子注入增強(qiáng)效 應(yīng) 使之兼有i g b t 和g t o 兩者的優(yōu)點(diǎn) 低的飽和壓降 寬的安全 工作區(qū) 吸收回路容量?jī)H為g t o 的1 1 0 左右 低的柵極驅(qū)動(dòng)功率 比 g t o 低兩個(gè)數(shù)量級(jí) 和較高的工作頻率 加之該器件采用了平板壓接 式電極引出結(jié)構(gòu) 可望有較高的可靠性 目前該器件已達(dá)到 4 5 k v 1 0 0 0 a 的水平 3 m o s 門(mén)控晶閘管 m o s 門(mén)控晶閘管充分的利用了晶閘管良好的通態(tài)特性及m o s 管 優(yōu)良的開(kāi)通和關(guān)斷特性 具有優(yōu)良的自關(guān)斷動(dòng)態(tài)特性和非常低的通態(tài) 電壓降 易于得到高的耐壓 成為未來(lái)電力電子裝置和系統(tǒng)中有發(fā)展 前途的高壓大功率器件 目前世界上有十幾家公司在積極開(kāi)展對(duì)m c t 的研究 m o s 門(mén)極晶閘管主要有三種結(jié)構(gòu) m o s 場(chǎng)控晶閘管 m c t 基極電阻控制晶閘管 b r t 及射極開(kāi)關(guān)晶閘管 e s t 其中e s t 可能是m o sf j 控晶閘管中最有希望的一種結(jié)構(gòu) 但是 這種器件要真 正成為商業(yè)化的實(shí)用器件 達(dá)到取代g t o 的水平 可能還需要相當(dāng)長(zhǎng) 的一段時(shí)間 4 i p e m 一集成電力電子模塊 i n t e g r a t e dp o w e re l e c t r o n i c s m o d u l e s i p e m 已經(jīng)不是傳統(tǒng)意義上的電力電子器件的概念 它是將電力電 子裝置的諸多器件集成在一起的模塊 它的組成過(guò)程如下 首先將半 導(dǎo)體器件m o s f e t i g b t 或m c t 與二極管的芯片封裝在一起組成 個(gè)積木單元 然后將這些積木單元迭裝到開(kāi)孔的高電導(dǎo)率的絕緣陶瓷 c h e n g d u2 0 0 1 西南交通大學(xué)研究生學(xué)位論文 第4 頁(yè) 襯底上 在它的下面依次是銅基板 氧化鈹瓷片和散熱器 在積木單 元的上部則通過(guò)表面貼裝將控制電路 門(mén)極驅(qū)動(dòng) 電流和溫度傳感器 以及保護(hù)電路集成安裝在一薄層絕緣層上 i p e m 完全取消了傳統(tǒng)模塊封裝中的粗線(xiàn)鍵合工藝 取而代之的是 三維立體組裝 可以實(shí)現(xiàn)電力電子技術(shù)的智能化和模塊化 并大大降 低電路接線(xiàn)電感 提高了系統(tǒng)的效率 進(jìn)一步提高了可靠性 降低了 系統(tǒng)的噪音和寄生振蕩 第二節(jié)開(kāi)關(guān)變換器的功率變換技術(shù) 開(kāi)關(guān)電源可以簡(jiǎn)單的認(rèn)為是由功率級(jí)和控制電路組成 功率級(jí)為 功率變換的主體 主要是通過(guò)開(kāi)關(guān)器件和電感 電容等器件實(shí)現(xiàn)功率 變換 主要特點(diǎn)是 通過(guò)調(diào)節(jié)開(kāi)關(guān)器件的工作狀態(tài) 來(lái)取得所希望的 功率變換和一定的輸出 開(kāi)關(guān)電源的主要組成部分是開(kāi)關(guān)型d c d c 變換器 它是整個(gè)變換的核心 這里主要介紹d c d c 變換器 d c d c 變換器的基本拓?fù)浞譃榉歉綦x式和隔離式兩種 4 在非 隔離式變換器的輸入到輸出之間沒(méi)有電氣隔離 非隔離式拓?fù)渲饕?b u c k b o o s t b u c k b o o s t c u k z e t a s e p i c 等 隔離式拓?fù)淅米?壓器實(shí)現(xiàn)了輸入到輸出的電隔離 隔離式拓?fù)渲饕?單端正激變換 器 單端反激變換器 推挽變換器 半橋變換器和全橋變換器等 圖 1 2 1 給出了上述變換器的原理圖 根據(jù)d c d c 變換器的工作方式 d c d c 變換器可以分為 p w m 變換器 諧振變換器 軟開(kāi)關(guān)p w m 變換器和零轉(zhuǎn)換p w m 變換 器等 下面主要對(duì)變換技術(shù)進(jìn)行詳細(xì)介紹 一 p w m 交換技術(shù) 脈寬調(diào)制p w m 技術(shù) 相對(duì)于軟開(kāi)關(guān)技術(shù) p w m 也稱(chēng)為硬開(kāi)關(guān) 由于其電路簡(jiǎn)單 控制方便而得到了廣泛應(yīng)用 1 9 7 6 年美國(guó)硅通用公 司第一個(gè)做出了單片集成控制芯片s g l 5 2 4 稱(chēng)為脈寬調(diào)制器 從此 c h e n g d u2 0 0 1 西南交通大學(xué)研究生學(xué)位論文 第5 頁(yè) 固 曲 t 醯j 芒篷翔 韙篷翔 盤(pán)幽 日曲i it 出國(guó) 囪醯l 昏國(guó) 西翩 圖1 2 1開(kāi)關(guān)變換器基本拓?fù)?p w m 技術(shù)的應(yīng)用和發(fā)展丌始進(jìn)入了相對(duì)成熟的階段 目酊 應(yīng)用p w m 技術(shù)的變換器運(yùn)行的最佳頻率范圍是3 0 5 0 k h z 使用m o s f e t 做開(kāi) 關(guān)管 在這個(gè)范圍內(nèi) 整個(gè)系統(tǒng)無(wú)論體積 重量 可靠性和價(jià)格都基 本實(shí)現(xiàn)了最佳 但是 常規(guī)p w m 技術(shù)的固有缺陷限制了其進(jìn)一步的 高頻化 表現(xiàn)在 1 在丌關(guān)器件導(dǎo)通和關(guān)斷的過(guò)程中 電壓和電流 的波形有重疊 產(chǎn)生丌關(guān)損耗 并且該損耗隨著開(kāi)關(guān)頻率的提高而增 大 2 電路的寄生電感和寄生電容在高頻時(shí)產(chǎn)生嚴(yán)重的電壓尖峰和 浪涌電流 由于這些局限性 迫使人們另想辦法 圍繞著減小開(kāi)關(guān)損 耗 消除或緩解電路中寄生參數(shù)的影響而提出了諧振變換技術(shù) 二 諧振變換技術(shù) 諧振變換技術(shù)可以使丌關(guān)器件在零電壓或零電流的條件下進(jìn)行開(kāi) 關(guān)狀態(tài)的轉(zhuǎn)換 從而可以大大降低開(kāi)關(guān)損耗 諧振變換電路主要有串 聯(lián)諧振 并聯(lián)諧振 準(zhǔn)諧振 e 類(lèi)諧振 多諧振等 這類(lèi)變換器利用 諧振原理使開(kāi)關(guān)管兩端的電壓或流過(guò)開(kāi)關(guān)管的電流在一個(gè)周期內(nèi)有一 段時(shí)間呈難弦規(guī)律變換 電壓和電流波形錯(cuò)開(kāi) 從而實(shí)現(xiàn)了零電壓開(kāi) c h e n g d u2 0 0 1 西南交通大學(xué)研究生學(xué)位論文第6 頁(yè) 關(guān) z v s 或零電流開(kāi)關(guān) z c s 條件 使得開(kāi)關(guān)管自然導(dǎo)通或關(guān)斷 零電流開(kāi)關(guān)的特點(diǎn)是能保證運(yùn)行中開(kāi)關(guān)器件在關(guān)斷信號(hào)到來(lái)之前 流 經(jīng)開(kāi)關(guān)管的電流已經(jīng)下降到零 即保證了器件在零電流條件下斷開(kāi) 零電壓開(kāi)關(guān)的特點(diǎn)是保證運(yùn)行中器件在開(kāi)通信號(hào)到來(lái)之前 開(kāi)關(guān)管的 端電壓已經(jīng)下降到零 從而使開(kāi)關(guān)管能夠在零電壓下導(dǎo)通 與p w m 變換器相比 諧振式變換器具有許多優(yōu)點(diǎn) 1 寄生參 數(shù)被納入諧振元件后 大大降低了電路中的 或 儲(chǔ)存在寄生 電感和寄生電容中的能量可以通過(guò)諧振回饋到電網(wǎng)中 而不是被吸收 電路消耗掉 2 由于實(shí)現(xiàn)了零電壓開(kāi)關(guān)或零電流開(kāi)關(guān) 使得開(kāi)關(guān)損耗 明顯減小 3 有源諧振波形與方波相比 諧振分量大大減小 因此減 小了變換器中的電磁干擾 諧振式變換器的主要缺點(diǎn)有 1 功率電路拓?fù)鋸?fù)雜 在不同的 負(fù)載條件下 存在著不同的工作模式 2 q r c m r c 一般都是變頻 控制 控制電路復(fù)雜 3 諧振波形使得開(kāi)關(guān)管的電壓或電流應(yīng)力比 p w m 變換器的還要大 針對(duì)這些局限性 人們又提出了軟開(kāi)關(guān)技術(shù) 三 軟開(kāi)關(guān)技術(shù) 軟開(kāi)關(guān)變換器是q r c 和p w m 開(kāi)關(guān)變換器的綜合 在q r c 變換 器中增加一個(gè)輔助開(kāi)關(guān) 以控制諧振網(wǎng)絡(luò)的工作 使變換器在一個(gè)周 期內(nèi) 一部分時(shí)間按z v s 或z c s 準(zhǔn)諧振變換器工作 另一部分時(shí)間 按p w m 變換器工作 因此它兼有諧振變換技術(shù)和p w m 變換技術(shù)的 特點(diǎn) 1 諧振階段只發(fā)生在開(kāi)關(guān)管的開(kāi)關(guān)過(guò)程中 從而既保證了功 率半導(dǎo)體器件的軟開(kāi)關(guān)工作條件 又使得開(kāi)關(guān)管只承受較低的電壓和 電流應(yīng)力 2 能量傳輸?shù)闹饕问讲捎昧藀 w m 變換技術(shù)的特點(diǎn) 減小了諧振通態(tài)損耗 3 零電壓 零電流開(kāi)關(guān)條件不受輸入和負(fù)載 變化的影響 所以從理論上講適用于任何傳統(tǒng)p w m 變換器 第三節(jié)開(kāi)關(guān)電源的控制方法 c h e n g d u2 0 0 1 西南交通大學(xué)研究生學(xué)位論文第7 頁(yè) 開(kāi)關(guān)電源的控制電路是通過(guò)采樣功率級(jí)的狀態(tài)信號(hào) 輸出開(kāi)關(guān)管 的驅(qū)動(dòng)信號(hào) 利用功率級(jí)的當(dāng)前狀態(tài)來(lái)調(diào)節(jié)開(kāi)關(guān)的占空比 使系統(tǒng)能 夠在各種擾動(dòng)下 保證相對(duì)穩(wěn)定的輸出 由此可以看出開(kāi)關(guān)電源的控 制電路在整個(gè)系統(tǒng)中的作用是至關(guān)重要的 開(kāi)關(guān)電源的其它功能 如 遙控 過(guò)流保護(hù)等功能都是通過(guò)控制電路來(lái)實(shí)現(xiàn)的 開(kāi)關(guān)電源的控制方法主要有 電壓型 電流型 電荷型 平均電 流型和v 2 型等 一 電壓型控制方法 傳統(tǒng)的p w m 型d c d c 變換器常采用電壓型控制 電壓型控制 方法只對(duì)輸出電壓采樣 作為反饋信號(hào)實(shí)現(xiàn)閉環(huán)控制 以穩(wěn)定輸出電 壓 5 因?yàn)槭菃苇h(huán)控制 便于分析和設(shè)計(jì) 但是由于基本開(kāi)關(guān)變換器 是一個(gè)含有電感 電容的二階系統(tǒng) 如圖1 2 1 所示 我們知道二階 系統(tǒng)是一個(gè)有條件穩(wěn)定系統(tǒng) 通常要在控制中增加補(bǔ)償電路 才能使 系統(tǒng)穩(wěn)定工作 1 2 二 電流型控制方法 根據(jù)控制理論 一個(gè)1 1 階系統(tǒng)要達(dá)到最優(yōu)控制需要n 個(gè)獨(dú)立的反 饋?zhàn)兞?所以同時(shí)引入電容電壓和電感電流兩個(gè)狀態(tài)變量的電流型控 制方法提高了p w m 控制策略的性能 6 第一個(gè)電流型開(kāi)關(guān)變換器是 由歐洲空間機(jī)構(gòu)技術(shù)中心在1 9 7 8 年開(kāi)發(fā)的 與電壓型控制方法相比 電流型控制方法由于具有自動(dòng)限流 對(duì)輸入電壓變化有更快的響應(yīng)速 度 閉環(huán)系統(tǒng)穩(wěn)定性高等優(yōu)點(diǎn) 從而使電流型控制方法得到了廣泛的 應(yīng)用 但是電流型控制方法在占空比大于5 0 時(shí) 會(huì)產(chǎn)生開(kāi)環(huán)不穩(wěn)定 和次諧波振蕩 需要增加斜坡補(bǔ)償來(lái)消除 3 5 由于電流型的電流紋 波幅值比較小 因此抗干擾性差 并且峰值電流和平均電流存在誤差 對(duì)電流的控制精度不高 三 v 2 控制方法 v 2 控制方法仍然是雙環(huán)控制 只是用輸出電壓的紋波代替了電流 c h e n g d u2 0 0 1 西南交通大學(xué)研究生學(xué)位論文第8 頁(yè) 型控制方法中的電流紋波 1 4 v 2 控制方法不但具有電流型控制方法 的輸入電壓動(dòng)態(tài)響應(yīng)速度快 閉環(huán)系統(tǒng)穩(wěn)定性高等優(yōu)點(diǎn) 而且對(duì)負(fù)載 的變化具有超快的響應(yīng)速度 但是v 2 控制方法沒(méi)有自動(dòng)限流的功能 同樣需要增加斜坡補(bǔ)償來(lái)消除占空比大于5 0 時(shí)的開(kāi)環(huán)不穩(wěn)定和次諧 波振蕩 當(dāng)前 信息產(chǎn)業(yè)異軍突起 微處理芯片技術(shù)飛速發(fā)展 微處理芯 片對(duì)電源性能指標(biāo) 特別是瞬態(tài)響應(yīng) 的要求越來(lái)越嚴(yán)格 v 2 控制方 法由于具有對(duì)負(fù)載變化的超快的響應(yīng)速度 有望成為新一代電源的首 選控制方法 四 交錯(cuò)并聯(lián)技術(shù) 由于開(kāi)關(guān)電源的發(fā)展 很大程度上受到功率開(kāi)關(guān)器件的發(fā)展程度 的制約 單個(gè)電源要得到大功率的輸出 必須采用多個(gè)功率開(kāi)關(guān)器件 并聯(lián) 在這種情況下 往往需要強(qiáng)制散熱 這既增加了電源的成本 也增加了體積 且電源的可靠性不高 所以在現(xiàn)代通訊設(shè)備中更多的 采用多個(gè)電源模塊并聯(lián)的方法來(lái)輸出大功率 這就是所謂的分布式供 電系統(tǒng) 在分布式供電系統(tǒng)中由于多個(gè)電源模塊并聯(lián) 所以多個(gè)模塊的輸 出紋波疊加在一起 如果模塊間紋波的相位不固定 則總的輸出紋波 沒(méi)有周期性 且幅值也不固定 因而增加了濾波難度 以前往往要求 并聯(lián)的多個(gè)模塊同步工作 這樣可以得到頻率和幅值固定的總的輸出 紋波 便于輸出濾波 但是f i 個(gè)同步的并聯(lián)模塊的紋波的幅值是單個(gè) 模塊幅值的n 倍 大大增加了濾波電路的成本 交錯(cuò)并聯(lián)技術(shù)是指在 多個(gè)功率模塊并聯(lián)時(shí) 各個(gè)模塊的開(kāi)關(guān)時(shí)刻都錯(cuò)開(kāi)一段時(shí)間 開(kāi)關(guān)周 期內(nèi) 這樣就可以在不增加開(kāi)關(guān)損耗和器件應(yīng)力的前提下減小輸出紋 波的幅值 使總的輸出紋波頻率升高e 1 7 1 所以交錯(cuò)系統(tǒng)可以節(jié)省濾 波和儲(chǔ)能器件 從而可以大大的提高系統(tǒng)的功率密度且不降低變換效 率 事實(shí)上 交錯(cuò)并聯(lián)技術(shù)是實(shí)現(xiàn)并聯(lián)供電的一種控制方法 c h e n g d u2 0 0 1 西南交通大學(xué)研究生學(xué)位論文第9 頁(yè) 第四節(jié)本文的主要工作 本文的主要目的是 較為深入的對(duì)傳統(tǒng)開(kāi)關(guān)電源控制方法 尤其 是電壓型和電流型控制方法 進(jìn)行分析 研究其工作原理 在此基礎(chǔ) 上對(duì)v 2 控制方法進(jìn)行詳盡的分析研究 建立電壓型 電流型和v 2 控 制方法的小信號(hào)模型 最后對(duì)交錯(cuò)并聯(lián)供電技術(shù)進(jìn)行了簡(jiǎn)要的分析 本文的結(jié)構(gòu)是按照以下思路安排的 首先 對(duì)丌關(guān)電源控制方法進(jìn)行分類(lèi)研究 提出了按脈寬的實(shí)現(xiàn) 方式和按控制電路的采樣變量的兩種分類(lèi)方式 基于這兩種分類(lèi) 方式 詳細(xì)分析了電壓型 電流型 電荷型和平均電流型控制方 法的基本原理和各自的優(yōu) 缺點(diǎn) 為適應(yīng)飛速發(fā)展的微處理芯片的需要 對(duì)具有超快速響應(yīng)的v 2 控 制方法進(jìn)行研究 詳細(xì)分析了其基本原理 并對(duì)其在輸入階躍變 化和負(fù)載階躍變化的響應(yīng)原理進(jìn)行了分析 闡明了其對(duì)負(fù)載階躍 變化具有超快速響應(yīng)的原因 并利用p s p i c e 進(jìn)行了仿真驗(yàn)證 詳細(xì)的分析了開(kāi)關(guān)電源的狀態(tài)空間平均和線(xiàn)性化的基本原理 在 此基礎(chǔ)上分別對(duì)電壓型 電流型和v 2 控制方法進(jìn)行數(shù)學(xué)建模 求 出其月 環(huán)傳遞函數(shù) 并利用仿真波形對(duì)建模的正確性進(jìn)行驗(yàn)證 并對(duì)三種控制方法的特點(diǎn)進(jìn)一步進(jìn)行比較 最后 在對(duì)分布式供電系統(tǒng)進(jìn)行簡(jiǎn)要介紹的基礎(chǔ)上 分析了交錯(cuò) 并聯(lián)技術(shù)的基本原理 闡明了采用交錯(cuò)并聯(lián)技術(shù)的意義 詳細(xì)分 析了采用雙濾波電感和單濾波電感的單端正激變換電路的工作原 理 并對(duì)其性能進(jìn)行比較 然后 研究了交錯(cuò)并聯(lián)技術(shù)在冗余系 統(tǒng)中的一種實(shí)現(xiàn)方式 c h e n g d u2 0 0 1 西南交通大學(xué)研究生學(xué)位論文 第1 0 頁(yè) 第二章開(kāi)關(guān)電源控制方法的分類(lèi)研究 對(duì)開(kāi)關(guān)變換器進(jìn)行控制的目的就是根據(jù)變換器的狀態(tài) 動(dòng)態(tài)的調(diào) 節(jié)開(kāi)關(guān)的占空比 以得到滿(mǎn)意的輸出 本章主要對(duì)開(kāi)關(guān)電源的控制方 法進(jìn)行分類(lèi)研究 詳細(xì)分析了電壓型 電流型 電荷型和平均電流型 等控制方法的原理及其優(yōu) 缺點(diǎn) 第一節(jié)脈寬調(diào)制技術(shù) p w m 開(kāi)關(guān)電源的核心部分是d c d c 變換器 其轉(zhuǎn)換的基本手段是用半 導(dǎo)體功率器件作為開(kāi)關(guān) 使帶有濾波器 l c 的負(fù)載線(xiàn)路與直流電壓 間或?qū)?斷開(kāi) 從而使負(fù)載上得到需要的直流電壓 下面以b u c k 變換 器為例 舉例分析開(kāi)關(guān)電源的工作原理 b u c k 變換器的基本拓?fù)淙鐖D2 1 1 所示 對(duì)應(yīng)的波形圖為圖2 1 2 其中所為開(kāi)關(guān)管的驅(qū)動(dòng)波形 圖2 1 1b u c k 變換器拓?fù)鋱D 由波形圖可分別求得電感電流上升和下降的變化量 iu ai 甌 j 9 7 半拈v s 工 v o d r 2 e 警西 孚 1 一d 妒 2 z 假設(shè)電路已工作于穩(wěn)態(tài) 則電感電流在開(kāi)關(guān)管開(kāi)通時(shí)的上升量與開(kāi) 關(guān)管關(guān)斷時(shí)的下降量是相等的 所以有 a i l a i l 2 聯(lián)合式 2 1 1 2 1 2 2 1 3 可求得 2 1 3 c h e n g d u2 0 0 1 西南交通大學(xué)研究生學(xué)位論文第1 1 頁(yè) d v s 2 1 4 以上所討論的為電感電流連續(xù)的工作模式 c o n t i n u o u sc o n d u c t i o n m o d e c c m 同理可以求得c c m 下其他基本變換器的輸入輸出的穩(wěn)態(tài) 變換關(guān)系 表2 卜1 為圖1 2 1 中b u c k b o o s t b u c k b o o s t c u k 等基本 變換器的輸入輸出關(guān)系 4 表2 1 lc c m 下幾種基本變換器的輸入輸出關(guān)系 基本變換器輸入輸出變換關(guān)系 b u c k r o d v s b o o s t 擊 b u c k b o o s t 南 c u k 腎南 llf l l r 吩 醵 i r l 0 圈2 1 2b u c k 交換器在c c m 下的波形圖 當(dāng)電感l(wèi) 較小 負(fù)載電阻較大 或周期t 較大時(shí) 將會(huì)出現(xiàn)電感電 流已經(jīng)下降到零 而新的周期卻尚未開(kāi)始的情況 當(dāng)新的周期到來(lái)時(shí) 電 感電流從零開(kāi)始 線(xiàn)性增大 這種工作方式稱(chēng)為電感電流不連續(xù)的工作模 式 d i s c o n t i n u o u sc o n d u c t i o nm o d e d c m 此時(shí)波形如圖2 1 3 其中 c h e n g d u2 0 0 1 西南交通大學(xué)研究生學(xué)位論文第1 2 頁(yè) 所為開(kāi)關(guān)管的驅(qū)動(dòng)波形 類(lèi)似的可以求得b u c k 變換器在d c m 下的輸入 輸出的變換關(guān)系為 矗 2 1 5 其中 d t 為占空比 d 2 為開(kāi)關(guān)管斷開(kāi) 二極管導(dǎo)通時(shí)間占空比 同理可以求得d c m 下其他基本變換器的輸入輸出的穩(wěn)態(tài)變換關(guān)系 4 如表2 l 一2 表2 1 2d c m 下幾種基本變換器的輸入輸出關(guān)系 基本變換器輸入輸出變換關(guān)系 b u c k 格 b 0 0 s t 警 b u c k b o o s t 魯 d c u k g o2 茸 l f r k i 以 lf 廠 z 7 0 圖2 1 3b u c k 變換器在d c m 下的波形圖 c h e n g d u2 0 0 1 西南交通大學(xué)研究生學(xué)位論文第13 頁(yè) 一 按占空比的實(shí)現(xiàn)方式分類(lèi) 在上面 d 表示穩(wěn)態(tài)的占空比 在隨后的章節(jié)中 我們用變量d 表示動(dòng)態(tài)的占空比 由式2 1 2 可知 改變占空比d 即可調(diào)節(jié)輸出電壓 而d 又可寫(xiě)為 d 址 粵 2 1 6 一 一一 t o n i o f f 其中 r 為開(kāi)關(guān)周期 d 為在一個(gè)周期中 開(kāi)關(guān)管的導(dǎo)通時(shí)間 d 阡為在一個(gè)周期中 開(kāi)關(guān)管的截止時(shí)間 所以改變t o n 或 和i o f f 可以實(shí)現(xiàn)對(duì)占空比d 的調(diào)節(jié) 這種調(diào)節(jié)脈 沖占空比的控制方法就是我們通常所說(shuō)的脈寬調(diào)制 p u l s e w i d t h m o d u l a t i o n 簡(jiǎn)稱(chēng)p w m 依據(jù)r 0 和t o f f 的不同組合 p w m 的控制 方法可分為定頻調(diào)節(jié)和變頻調(diào)節(jié)兩大類(lèi) 其中變頻調(diào)節(jié)又有如表2 1 3 所示的三種實(shí)現(xiàn)方式 7 表2 1 3按占空比的實(shí)現(xiàn)方式分類(lèi) 調(diào)節(jié)方式t o wt o f f 變 定開(kāi)通時(shí)間固定 變化 頻 定關(guān)斷時(shí)間變化 固定 調(diào) 節(jié) 恒定遲滯環(huán)寬變化變化 定頻調(diào)節(jié)變化變化 1 恒定遲滯環(huán)寬控制 電路原理如圖2 1 4 a 圖2 1 4 b 為其主要波形 其中比較器以 施密特觸發(fā)器的方式工作 v m a x 和v m l n 分別為施密特觸發(fā)器的上限 電壓和下限電壓 該電路的工作原理為 施密特觸發(fā)器初始輸出高電平 開(kāi)關(guān)管開(kāi) 通 輸出電壓v o 上升 當(dāng)v o 上升到v m a x 時(shí) 則施密特觸發(fā)器輸出反 c h e n g d u2 0 0 1 西南交通大學(xué)研究生學(xué)位論文第1 4 頁(yè) 轉(zhuǎn) 輸出低電平 開(kāi)關(guān)管關(guān)斷 隨后輸出電壓v o 下降 當(dāng)v o 下降到 v m j n 時(shí) 施密特觸發(fā)器輸出再次反轉(zhuǎn) 輸出高電平 開(kāi)關(guān)管開(kāi)通 如 此周而復(fù)始的運(yùn)行 2 定開(kāi)通時(shí)間控制 圖2 1 4 c 為其基本原理圖 圖2 1 4 d 為相應(yīng)的波形圖 工作原 理為 單穩(wěn)觸發(fā)器初始處于穩(wěn)態(tài) 輸出低電平 開(kāi)關(guān)管截止 輸出電 壓下降 當(dāng)電壓下降到v m i n 時(shí) 比較器反轉(zhuǎn) 輸出高電平 觸發(fā)單穩(wěn) 觸發(fā)器進(jìn)入暫態(tài) 輸出高電平 開(kāi)關(guān)管開(kāi)通 經(jīng)過(guò)t o n 時(shí)間后 單穩(wěn) 觸發(fā)器自動(dòng)反轉(zhuǎn)進(jìn)入穩(wěn)態(tài) 輸出低電平 開(kāi)關(guān)管關(guān)斷 完成一個(gè)周期 的運(yùn)行 抽 恒窯遲j 尊環(huán)競(jìng)控捌原理舶 奄涎曠8 c 定開(kāi)通時(shí)閫控制原理田 絮8 苛 d 定鞭控制原理田 n廠 廣 i 1 k 恒定 d 定開(kāi)通時(shí) 司控制渡彤期 k 7 f 刁躒 m 廠留r 1 m 定關(guān)斷時(shí)問(wèn)控制波形田 l lii 廣 廠 i 叫 用搠恒定 1 1 定矩控制渡形圖 圖2 卜4電壓型控制方法原理和波形圖 c h e n g d u2 0 0 1 西南交通大學(xué)研究生學(xué)位論文第l5 頁(yè) 3 定關(guān)斷時(shí)間控制 電路原理如圖2 1 4 e 圖2 一l 一4 f 為其主要波形 工作原理為 單穩(wěn)觸發(fā)器初始處于穩(wěn)態(tài) 輸出高電平 開(kāi)關(guān)管開(kāi)通 輸出電壓上升 當(dāng)電壓上升到v m x 時(shí) 比較器反轉(zhuǎn) 輸出低電平 觸發(fā)單穩(wěn)觸發(fā)器 進(jìn)入暫態(tài) 輸出低電平 開(kāi)關(guān)管關(guān)斷 經(jīng)過(guò)t o f f 時(shí)間后 單穩(wěn)觸發(fā)器 自動(dòng)反轉(zhuǎn)進(jìn)入穩(wěn)態(tài) 輸出高電平 開(kāi)關(guān)管開(kāi)通 如此周而復(fù)始的運(yùn)行 以上三種控制方法都為變頻控制方法 雖然電路相對(duì)簡(jiǎn)單 但是 它的頻率不固定 噪聲頻譜不固定 加大了電磁干擾 e m i 的控制 難度 4 定頻控制 定頻控制是當(dāng)前最為廣泛應(yīng)用的一種控制方法 該控制方法得以 廣泛應(yīng)用的主要原因有 更易于變壓器和濾波電路的設(shè)計(jì) 從而更便于減小電磁干擾 可以比較容易買(mǎi)到高性能價(jià)格比的p w m 控制芯片 定頻p w m 控制的應(yīng)用方式多種多樣 圖2 1 4 g 為定頻控制簡(jiǎn)化 原理圖 圖2 1 4 h 為其主要波形圖 在時(shí)鐘脈沖到來(lái)時(shí) 鋸齒波復(fù)位 k 為誤差放大器的輸出 其變 化速度要比開(kāi)關(guān)頻率慢的多 v p 是鋸齒波的峰值 該電路的穩(wěn)態(tài)工作原理 輸出電壓 在誤差放大器中做減法運(yùn) 算 其差值再放大生成誤差電壓k 在時(shí)鐘脈沖到來(lái)時(shí) 鋸齒波復(fù)位 比較器輸出高電平 開(kāi)關(guān)管開(kāi)通 同時(shí)鋸齒波的斜坡信號(hào)由零線(xiàn)性增 大 當(dāng)鋸齒波的電壓升高到圪時(shí) 比較器反轉(zhuǎn) 輸出低電平 開(kāi)關(guān)管 關(guān)斷 同時(shí)鋸齒波的電壓繼續(xù)線(xiàn)性增大 直到下一個(gè)時(shí)鐘脈沖 鋸齒 波再次復(fù)位開(kāi)始新的周期 從以上的分析中可以看出 定頻控制的主要組成部分有 時(shí)鐘用于設(shè)置開(kāi)關(guān)頻率 基準(zhǔn)電壓及輸出電壓的誤差放大器 比較器用于將誤差電壓與斜坡信號(hào)比較 斜坡信號(hào) 鋸齒波 c h e n g d u2 0 0 1 西南交通大學(xué)研究生學(xué)位論文第1 6 頁(yè) 二 按控制電路的采樣變量分類(lèi) p w m 控制方法的另一種分類(lèi)方式是參照控制電路的采樣變量 理 想的基本變換電路可認(rèn)為是一個(gè)二階系統(tǒng) 6 因而只有兩個(gè)獨(dú)立的變 量 只采樣一個(gè)變量的為單環(huán)控制 采樣兩個(gè)變量的為雙環(huán)控制 表 2 i 4 為根據(jù)采樣變量進(jìn)行的分類(lèi) 表2 i 4 根據(jù)采樣變量分類(lèi)表 采樣電感 開(kāi) 采樣電容電壓 名稱(chēng) 關(guān) 電流 y e sn o 電壓型控制 單環(huán)控制 n oy e s 電荷型控制 y e sy e s 電流型控制 雙環(huán)控制 y e s 間接采樣v 2 型控制 值得說(shuō)明的是 只采樣電感電流的電荷型控制方法 結(jié)果是得到 輸出電流恒定的電流源 1 5 實(shí)際應(yīng)用的比較少 雙環(huán)控制中的v 2 型 控制方法雖然沒(méi)有直接對(duì)電感電流進(jìn)行采樣 但是其中一個(gè)采樣環(huán)的 采樣變量是電感電流的線(xiàn)性函數(shù) 因而采樣的兩個(gè)變量是線(xiàn)性獨(dú)立的 在本章隨后的幾節(jié)中 我們將結(jié)合第二種分類(lèi)方法詳細(xì)分析電壓型控 制方法 電流型控制方法 電荷型控制方法等經(jīng)典控制方法 在第四 章中將主要對(duì)v z 型控制方法進(jìn)行研究 第二節(jié)電壓型控制方法 要得到穩(wěn)定的輸出電壓 最簡(jiǎn)單的方式就是將輸出電壓反饋回來(lái) 調(diào)節(jié)開(kāi)關(guān)管的占空比的電壓型控制方法 電壓型控制方法是人們最早 采用的控制方法 由于是單環(huán)控制 電路相對(duì)比較簡(jiǎn)單 容易實(shí)現(xiàn) 從而得到了廣泛的應(yīng)用 結(jié)合上一節(jié)中按占空比的實(shí)現(xiàn)方式分類(lèi) 電壓型控制方法可以有 四種實(shí)現(xiàn)方式 如圖2 2 一l a b c d 各電路在穩(wěn)態(tài)時(shí)的 c h e n g a u2 0 0 1 西南交通大學(xué)研究生學(xué)位論文第1 7 頁(yè) 波形圖與上一節(jié)介紹的基本一致 下面僅對(duì)比較常用的定頻控制進(jìn)行 詳細(xì)分析 在隨后的兩節(jié)中也只對(duì)定頻控制進(jìn)行詳細(xì)介紹 圖2 2 2 為定頻控制的波形圖 一 電壓型定頦控制的工作原理 如圖所示 電壓型控制方法是簡(jiǎn)單的將輸出電壓作為控制環(huán)的輸 入 將輸出電壓信號(hào)與基準(zhǔn)電壓比較 并將比較的結(jié)果放大生成誤差 電壓坎 圪再與振蕩器生成的鋸齒波絳比較生成 脈寬與攻大小成 正比的方波 該方波經(jīng)過(guò)鎖存器和驅(qū)動(dòng)電路 圖中未畫(huà)出驅(qū)動(dòng)電路 來(lái)驅(qū)動(dòng)開(kāi)關(guān)管工作 a 電壓型恒定遲滯環(huán)寬控制 電壓型定開(kāi)通時(shí)問(wèn)控翻 c h e n g d u2 0 0 1 西南交通大學(xué)研究生學(xué)位論文 第1 8 頁(yè) c 電壓塑定關(guān)斷時(shí)問(wèn)控制 d 電壓塑定頻控制 圖2 2 1電壓型控制原理圖 結(jié)合電路圖2 2 1 d 和波形圖2 2 2 可得占空比和輸出電壓的關(guān)系式 d 音 唑等墜 2 2 1 由上式可以看出 占空比d 和輸出電壓 u r 成線(xiàn)性關(guān)系 d 為 盯的負(fù)反饋 式 4 1 9 中的k 為誤差放大器的增益 足 魯 二 電壓型定頻控制的特點(diǎn) 電壓型控制方法只有一個(gè)控制環(huán) 設(shè)計(jì) 分析相對(duì)比較簡(jiǎn)單 電路 c h e n g d u2 0 0 1 西南交通大學(xué)研究生學(xué)位論文第l9 頁(yè) 成本較低 體積較小 此外由專(zhuān)門(mén)鋸齒波發(fā)生器產(chǎn)生的鋸齒波幅值比 較大 因而抗干擾能力比較強(qiáng) 電壓型控制方法另外一個(gè)比較突出的 優(yōu)點(diǎn)就是輸出阻抗低 在多路輸出供電的電源中可以較好的實(shí)現(xiàn)交叉 調(diào)節(jié) 目前在一些對(duì)電源性能要求不高的場(chǎng)合 仍有電壓型控制方法 在使用 時(shí)鐘 v r v e 鎖存囂 輸出 電感電流 1 u 人 人 入 圖2 2 2 電壓型定頻控制波形圖 電壓型控制方法的突出的缺點(diǎn)是 5 任何輸入或輸出的變化只能 在輸出改變時(shí)才能檢測(cè)到并作為反饋輸入進(jìn)行糾正 所以響應(yīng)速度比 較慢 由于輸出濾波給控制環(huán)增加了兩個(gè)極點(diǎn) 所以從系統(tǒng)穩(wěn)定性考 慮要么誤差放大器的主極點(diǎn)增移向低頻 要么增加一個(gè)零點(diǎn)進(jìn)行補(bǔ)償 由于環(huán)路增益不獨(dú)立于輸入電壓 要實(shí)現(xiàn)補(bǔ)償是相當(dāng)復(fù)雜的 在第四 章中將詳細(xì)分析 第三節(jié)電流型控制方法 常見(jiàn)的理想開(kāi)關(guān)電源的主電路拓?fù)錇橐粋€(gè)含有電感 電容的二階 電路 從控制的角度講 一個(gè)n 階系統(tǒng)的最優(yōu)控制一般要求n 個(gè)獨(dú)立 的反饋?zhàn)兞?同時(shí)引入電容電壓和電感電流兩個(gè)狀態(tài)變量的電流型控 制方法提高了p w m 控制策略的性能 6 峰值電流型控制方法 c u r r e n t i n j e c t i o nc o n t r o l c i c 是最早也是目前較為普遍應(yīng)用的電 c h e n g d u2 0 0 1 西南交通大學(xué)研究生學(xué)位論文第2 0 頁(yè) 流型控制方法 圖2 3 1 a b c 分別為電流型恒定遲滯環(huán)寬控制 電流型定開(kāi)通時(shí)間控制和電流型定關(guān)斷時(shí)間控制的原理簡(jiǎn)圖 由圖 2 3 1 可以看出 這三種電流型控制方法與相應(yīng)的電壓型控制方法的區(qū) 別在于電壓型控制方法的采樣輸出電壓經(jīng)誤差放大器后生成的誤差信 號(hào)v 直接輸入到觸發(fā)器 而電流型控制方法則是將v 與電感電流的 采樣信號(hào)相減 將差輸入到觸發(fā)器 電流型變換器的波形圖與電壓型 相似 不再詳細(xì)畫(huà)出了 誤差放大囂 奠密特觸發(fā)囂 i 電流型恒定遲滯環(huán)寬控制 駕爵v ev r e f 駕瑤v o u l b 電流型定開(kāi)通時(shí)間控制 其中 v 1 為與電巷電鼉l 成f t 比的電壓信 單健齄發(fā) 壽高電早 戔 n 盎 出怔電平 c 電流型定關(guān)斷時(shí)間控制 其十 r u 為與電毫電泣 正比的電壓信 革穗 發(fā)霉壽征電早難盅 n 毒 出離電千 圖2 3 1 電流型控制方法 下面以電流型定頻控制為例分析電流型控制方法的原理 圖2 3 2 為電流型定頻控制在單端正激變換器中的應(yīng)用電路原理圖 圖2 3 3 為其主要波形圖 一 電流墅定頻控制的工作原理 由圖2 3 2 可以看出電流型定頻控制方法和電壓型定頻控制方法 的主要區(qū)別在于電流型控制方法用開(kāi)關(guān)電流波形代替了電壓型控制方 法的鋸齒波 電流型控制方法的工作原理為 在每個(gè)周期開(kāi)始時(shí)時(shí)鐘使鎖存器 c h e n g d u2 0 0 1 西南交通大學(xué)研究生學(xué)位論文第2 l 頁(yè) 復(fù)位 開(kāi)關(guān)管導(dǎo)通 開(kāi)關(guān)電流由初始值線(xiàn)性增大 當(dāng)蠔增大到誤差電 壓k 時(shí) 比較器翻轉(zhuǎn) 進(jìn)而使鎖存器輸出為低 開(kāi)關(guān)管關(guān)斷 直到下 一個(gè)時(shí)鐘脈沖到來(lái) 開(kāi)始一個(gè)新的周期 時(shí)鐘 v c v s 鎖存器 輸出 電感電流 圖2 3 2 電流型定頻控制 i 1 i i 一i 一 廠l 1 i 一 i 一 入 圖2 3 2電流型定頻控制波形圖 二 電流型定頻控制的優(yōu) 缺點(diǎn) 5 l 7 l 1 電流型定頻控制的優(yōu)點(diǎn) 1 固有的脈沖電流限制 使得變換器在過(guò)載時(shí)幾乎不會(huì)受到破 壞 多個(gè)電源并聯(lián)時(shí) 易于實(shí)現(xiàn)均流 從而方便的提高總的 輸出電流容量 2 由于輸出電流參與反饋控制 從而獲得對(duì)負(fù)載瞬態(tài)變化的超 快響應(yīng) 減小了輸出電壓的紋波 3 由于電感電流參與反饋 所以濾波部分僅向反饋環(huán)提供一個(gè) c h e n g d u2 0 0 1 西南交通大學(xué)研究生學(xué)位論文第2 2 頁(yè) 極點(diǎn) 在我們所感興趣的頻率范圍內(nèi) 從而與電壓型控制 方法相比可以更方便的實(shí)現(xiàn)補(bǔ)償 獲得更高的增益帶寬 4 由控制到電感電流沒(méi)有相位滯后 從本質(zhì)上消除了閉環(huán)控制 產(chǎn)生低頻諧波振蕩的可能性 5 對(duì)輸入電壓變化具有比電壓型控制方法更快的響應(yīng)速度 特 別適用于a c 電源作為輸入的應(yīng)用 2 電流型定頻控制的缺點(diǎn) 1 抗干擾能力差 由于電感電流的紋波幅值與其平均值相比要 小的多 因而一個(gè)小脈沖干擾都有可能使比較器誤動(dòng)作 2 需要斜坡補(bǔ)償 電流型控制方法由于在占空比大于5 0 時(shí)要 產(chǎn)生次諧波振蕩 因而不穩(wěn)定 通常在比較器輸入端使用一 個(gè)補(bǔ)償斜坡 斜率等于電感電流的下降斜率 來(lái)消除不穩(wěn)定 3 峰值與平均電流的誤差 一般情況下 由于電感電流的紋波 幅值與其平均值相比要小的多 因而這一問(wèn)題帶來(lái)的影響并 不明顯 但在高功率因數(shù)b o o s t 預(yù)調(diào)節(jié)等電路中峰值與平均 電流的誤差將帶來(lái)嚴(yán)重的影響 4 拓?fù)鋯?wèn)題 傳統(tǒng)的電流型控制事實(shí)上是控制電感電流 當(dāng)使 用b u c k 變換器時(shí) 電感在輸出部分 因此是非常有效的 但是對(duì)于反激和b o o s t 拓?fù)?電感不在輸出部分 控制不了 正確的電流 失去了電流型控制器的許多優(yōu)點(diǎn) 反之 b o o s t 變換器的電感在輸入部分 適用于高功率因數(shù)預(yù)調(diào)節(jié)時(shí)對(duì)輸 入電流的控制 但是由于b u c k 和反激拓?fù)涞碾姼胁辉谳斎?部分 對(duì)輸入電壓的動(dòng)態(tài)和靜態(tài)變化不敏感 因而不適用 第四節(jié)平均電流型控制方法 在上一節(jié)中 討論了采用電感電流的波形作為斜坡信號(hào)的電流型 控制方法 為了避免同隨后介紹的平均電流型控制方法相混擾 在需 要區(qū)分的時(shí)候稱(chēng)之為峰值電流型控制方法 通常所說(shuō)的電流型控制方 c h e n g d u2 0 0 1 西南交通大學(xué)研究生學(xué)位論文 第2 3 頁(yè) 法就是指峰值電流型控制方法 由于峰值電流型控制方法對(duì)輸出電流 的控制不是很精確 所以在某些對(duì)電流精度要求比較高的應(yīng)用場(chǎng)合 它的缺點(diǎn) 3 和 4 將會(huì)十分明顯 而平均電流型控制方法是控制 電感電流的平均值 因而對(duì)電流的控制更為精確 平均電流型控制方 法的電路圖如圖2 4 1 主要波形如圖2 4 2 1 1 0 v c a v s 比較器 輸出 電感 電流 圖2 4 1 平均電流型定頻控制 么 易 易 八 圖2 4 2 平均電流型定頻控制波形圖 一 平均電流型定頻控制的工作原理 圖中 c a 為內(nèi)環(huán)對(duì)電流積分的高增益誤差放大器 v a 為輸出電 壓的誤差放大器 工作原理為 輸出電壓經(jīng)v a 后生成輸出電壓誤差 k 而電感電流的采樣值經(jīng)c a 積分 然后與之相減生成電感電流和 c h e n g d u2 0 0 1 西南交通大學(xué)研究生學(xué)位論文第2 4 頁(yè) 輸出電壓的綜合誤差信號(hào)比一 與鋸齒波發(fā)生器產(chǎn)生的鋸齒波進(jìn)行比 較 生成p w m 波 與電壓型定頻控制相似 二 平均電流墅定頻控制的優(yōu) 缺點(diǎn) 平均電流型控制方法的最大優(yōu)點(diǎn)就是可以準(zhǔn)確控制電感電流 精 度高 并且不需要斜坡補(bǔ)償 但是要達(dá)到系統(tǒng)穩(wěn)定 開(kāi)關(guān)頻率對(duì)環(huán)路 增益有限制 由于電壓和電流采樣的信號(hào)都經(jīng)過(guò)了積分電路 所以抗 噪音性能強(qiáng) 此外 平均電流型方法可用于檢測(cè)和控制任意支路的電 流 既可以準(zhǔn)確控制b u c k 和反激拓?fù)涞妮斎腚娏?也可以控制b o o s t 和反激拓?fù)涞妮敵鲭娏?平均電流型控制方法的最大缺點(diǎn)是 由于采樣后對(duì)電感電流進(jìn)行 積分 所以響應(yīng)速度比峰值電流控制方法慢 第五節(jié)電荷型控制方法 在電流型控制中采用對(duì)電感電流峰值進(jìn)行采樣 反饋控制 但是 在一個(gè)周期中電感電流的峰值并不能準(zhǔn)確反映電感電流的平均值 無(wú) 論在連續(xù)模式下還是在不連續(xù)模式下 因此電流型控制方法不適用于 功率因數(shù)校正或電池充電等對(duì)平均電流特別敏感的地方 電荷控制技 術(shù)是解決這一問(wèn)題的有效方法 一 電荷塑定頻控制的工作原理 如圖2 5 1 為電荷型定頻控制原理圖 圖2 5 2 是其主要波形圖 1 5 在每個(gè)周期開(kāi)始時(shí) 時(shí)鐘脈沖使鎖存器復(fù)位 主開(kāi)關(guān)開(kāi)通 c t 開(kāi)始對(duì) 開(kāi)關(guān)電流進(jìn)行積分 從而獲得總的電荷 當(dāng)c t 的電壓達(dá)到控制電壓 比時(shí) 主開(kāi)關(guān)關(guān)斷 與電容并聯(lián)的開(kāi)關(guān)開(kāi)通 對(duì)電容進(jìn)行放電 在下 一個(gè)周期開(kāi)始前 c t 的電荷全部放完 由于一個(gè)周期的總電荷與平均 電流成正比 可以實(shí)現(xiàn)對(duì)輸出電流的控制 c h e n g d u2 0 0 1 西南交通大學(xué)研究生學(xué)位論文第2 5 頁(yè) 圖2 5 1 電荷型定頻控制原理圖 時(shí)鐘 j j l 二刁二z z 喜 廠 廠 廠 圖2 5 2 電荷型定頻控制波形圖 二 電荷型定頻控制的優(yōu) 缺點(diǎn) 1 電荷型定頻控制的優(yōu)點(diǎn) 1 采用電感電流積分的方法取得電流的平均值 從而消除了電 流型控制方法存在的峰值與平均值誤差的問(wèn)題 2 同電流型控制方法一樣易于實(shí)現(xiàn)均流 3 同電流型控制方法一樣對(duì)輸入電壓的變化有較快的響應(yīng)速 度 4 由于使用開(kāi)關(guān)電流的積分作為控制信號(hào) 與電流型控制方法 相比 其抗噪音能力更強(qiáng) 在電流型控制方法的應(yīng)用中 開(kāi) c h e n g d u2 0 0 1 西南交通大學(xué)研究生學(xué)位論文第2 6 頁(yè) 關(guān)開(kāi)通時(shí)的尖峰可能會(huì)使其過(guò)早關(guān)斷 而電荷型控制方法通 過(guò)積分消除了開(kāi)關(guān)噪聲干擾 5 與電流型控制方法相比 電荷型控制方法不需要外部斜坡信 號(hào) 從而使電路更加簡(jiǎn)單 6 電荷型控制方法不限制最大電感電流 更適用于在開(kāi)關(guān)電流 達(dá)到最大值仍不關(guān)斷的場(chǎng)合 如多諧振蕩變換器 2 電荷型定頻控制的缺點(diǎn) 1 次諧波振蕩 與電流型控制方法相似 電荷型控制方法也存 在次諧波振蕩現(xiàn)