峰值電流模式控制在移相全橋變換器中的應(yīng)用.doc

峰值電流模式控制在移相全橋變換器中的應(yīng)用 陳咸豐，尹斌（河海大學(xué)，南京，210098）摘要：本文主要討論了峰值電流模式控制的斜坡補(bǔ)償?shù)脑砗鸵饬x，設(shè)計了移相全橋零電壓開關(guān)控制電路中的斜坡補(bǔ)償電路。關(guān)鍵詞：峰值電流模式；斜坡補(bǔ)償；穩(wěn)定性；移相全橋Application of Peak-Current-Mode-Control Technique in Phase-shift Full-bridge ConverterCHEN Xian-feng，Yin Bing(Hohai University，Nanjing，210098，China)Abstract：The paper analyzes the principle and the meaning of slope compensation in peak current mode control . At last the slope compensation in phase-shift full-bridge zero-voltage-switching circuit is designed.Keywords：peak current mode；slope compensation；stability；phase-shift full-bridge 1 引言隨著我國科技的發(fā)展和工業(yè)化進(jìn)程的進(jìn)一步提高，對通信開關(guān)電源和電力操作直流電源的效率、功率密度、可靠性和EMI 等提出了更高的要求。因此就需要采用新的主電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和采用新的PWM控制模式。目前研究較多的就是移相全橋軟開關(guān)PWM 變換器的電路拓?fù)?。其PWM控制模式也有電壓模式控制和電流模式控制兩種。傳統(tǒng)的開關(guān)電源普遍采用電壓模式控制的PWM技術(shù)，但在此控制模式下系統(tǒng)的動態(tài)響應(yīng)速度比較慢。峰值電流模式控制的PWM技術(shù)正是針對電壓模式控制PWM技術(shù)的缺點發(fā)展起來的。該模式控制因動態(tài)響應(yīng)速度快、補(bǔ)償電路簡化、增益帶寬大、易于均流等優(yōu)點而被廣泛應(yīng)。在移相全橋變換器中，控制策略多采用峰值電流模式控制。2 兩種PWM控制模式基本原理及特點2.1 兩種PWM控制模式的基本原理圖1(a)為電壓模式控制的PWM原理圖。由圖可以看出電壓模式控制只有一個電壓反饋閉環(huán)，采用脈沖寬度調(diào)制法。它工作的基本原理是：輸出電壓Uo與參考電壓Uref經(jīng)誤差放大器EA放大后得到了一個誤差電壓信號Ue，Ue再與振蕩電路產(chǎn)生的固定鋸齒波電壓經(jīng)PWM比較器COM比較,由鎖存器輸出占空比隨誤差電壓信號Ue變化的一系列脈沖。圖1(b)為峰值電流模式控制的PWM原理圖。由圖可以看出，它是一個雙閉環(huán)控制系統(tǒng)，電壓外環(huán)控制電流內(nèi)環(huán)。它工作的基本原理是：輸出電壓Uo與參考電壓Uref經(jīng)誤差放大器EA放大后得到一個誤差電壓信號Ue，Ue再與電感電流的采樣電壓Ur比較，由恒頻時鐘脈沖置位鎖存器輸出脈沖。當(dāng)Ur幅度達(dá)到Ue電平時，PWM比較器的狀態(tài)反轉(zhuǎn)，鎖存器復(fù)位，驅(qū)動撤除，功率管關(guān)斷，電路逐個地檢測和調(diào)節(jié)電流脈沖，由此控制電源輸出的電壓。 (a)電壓模式控制 (b)峰值電流模式控制圖1 電壓模式控制和峰值電流模式控制PWM原理圖2.2 兩種PWM控制模式的特點電壓模式控制采用單一反饋電壓閉環(huán)設(shè)計，因此調(diào)試比較容易。此外PWM比較器的鋸齒波振幅較大，在調(diào)制過程具有較好的抗噪聲裕量。且它的低阻抗功率輸出，對多輸出電源具有較好的交互調(diào)節(jié)特性。但它對輸入電壓的變化動態(tài)響應(yīng)速度較慢，且輸出的LC濾波器又給控制環(huán)增加了雙極點，在補(bǔ)償設(shè)計誤差放大器時就需要將主導(dǎo)極點低頻衰減，或是增加一個零點進(jìn)行補(bǔ)償。峰值電流模式控制PWM是雙閉環(huán)控制系統(tǒng)，電壓外環(huán)控制電流內(nèi)環(huán)。電流環(huán)只負(fù)責(zé)輸出電感的動態(tài)變化，而電壓環(huán)僅需控制輸出電容，不必控制LC儲能電路。因此峰值電流模式控制PWM具有比電壓模式控制大得多的帶寬。它具有以下優(yōu)點：(1)具有良好的線性調(diào)整率和快速的輸入輸出動態(tài)響應(yīng)；(2)固有的逐個脈沖電流限制，簡化了過載保護(hù)和短路保護(hù)，在推挽電路和全橋電路中具有自動磁通平衡功能；(3)消除了輸出濾波電感帶來的極點和系統(tǒng)的二階特性，使系統(tǒng)不存在有條件的環(huán)路穩(wěn)定性問題，具有最佳的大信號特性；(4)多電源單元并聯(lián)易于實現(xiàn)自動均流。但它同時又具有以下缺點：(1)需要雙環(huán)控制，增加了電路設(shè)計和分析的難度；(2)電流上升率不夠大，在沒有斜坡補(bǔ)償時，當(dāng)占空比大于50 %時，控制環(huán)變得不穩(wěn)定，抗干擾性能差；(3)控制信號來自輸出電流，功率級電路的諧振會給控制環(huán)帶來噪聲；(4)控制環(huán)控制電流，使負(fù)載調(diào)整率變差，在多路輸出時，需要耦合電感實現(xiàn)交互調(diào)節(jié)。3 峰值電流模式控制的穩(wěn)定性分析及斜坡補(bǔ)償3.1 峰值電流模式控制的穩(wěn)定性分析采用峰值電流模式控制的電路，在沒有斜坡補(bǔ)償時，當(dāng)占空比大于50 %時，控制環(huán)就會變得不穩(wěn)定，其具體原因分析如下。圖2 中，Ve 是誤差放大器輸出的誤差電壓信號，Io 是擾動電流，m1、m2分別是電感電流的上升沿及下降沿斜率。實線為實際輸出的電感電流，虛線為無擾動時的電感電流。由于開關(guān)頻率通常都較高，因此這里假定在開關(guān)周期內(nèi)，電感電流是線性變化的。令e為Io所引起的偏差，根據(jù)幾何關(guān)系，可得相鄰開關(guān)周期內(nèi)e的遞推表達(dá)式： （1）則第n周期的誤差：（2）因此當(dāng)m1m2時，也就是占空比小于50，誤差是收斂的，其頻率為開關(guān)頻率的1/2，振幅逐漸趨向于零，系統(tǒng)是穩(wěn)定的；而當(dāng)m1m2時，此時占空比大于50，誤差是發(fā)散的，系統(tǒng)不穩(wěn)定。(a)占空比小于50(b)占空比大于50圖2 峰值電流模式控制系統(tǒng)中電感電流對擾動的響應(yīng) 3.2 斜坡補(bǔ)償原理由上述分析知，當(dāng)占空比大于50時，此時電感電流上升率小于電感電流下降率，系統(tǒng)是不穩(wěn)定的。為了解決這一問題，需要引入斜坡補(bǔ)償，如圖3所示。 圖3 峰值電流模式控制的斜坡補(bǔ)償圖中m為補(bǔ)償斜率，由幾何關(guān)系可知，加入斜坡補(bǔ)償后的誤差遞推表達(dá)式為： （3）因此選擇合適的m，就可以使1 （4）滿足（4）式就可確保系統(tǒng)的穩(wěn)定性。由圖3和上面的補(bǔ)償后的誤差表達(dá)式可知，當(dāng)選擇補(bǔ)償斜率m等于電感電流下降沿的斜率m2，這時擾動信號在一個周期內(nèi)就完成了校正，如圖4所示。圖4 補(bǔ)償坡度等于m2的斜坡補(bǔ)償3.3 斜坡補(bǔ)償電路設(shè)計根據(jù)圖1峰值電流控制的電路圖可以看到，加入斜坡補(bǔ)償有兩種方法。一種是將斜坡補(bǔ)償信號加到電流檢測信號中，也就是加到PWM比較器的同相端。另一種是將斜坡補(bǔ)償信號從誤差電壓信號中減去，實際上間接加到PWM比較器的反相端。由于第二種方法的斜坡補(bǔ)償信號不是直接加到PWM比較器上的，實現(xiàn)起來就相對困難些。因此我們主要討論第一種方法的實現(xiàn)。圖5為斜坡補(bǔ)償簡化電路。從圖中可以看出，鋸齒波輸入腳RAMP的信號為原邊的電流信號和晶振腳Vslope的輸出信號疊加得到的。 圖5 斜坡補(bǔ)償?shù)暮喕娐穲D6為斜坡補(bǔ)償?shù)牡刃щ娐?，由此可以算出斜坡補(bǔ)償后加到芯片鋸齒波輸入腳的電壓：（5）圖6 斜坡補(bǔ)償?shù)刃щ娐芬虼诵逼卵a(bǔ)償電壓。由前面分析知，當(dāng)選擇補(bǔ)償斜率m等于電感電流下降沿的斜率m2時，擾動信號在一個周期內(nèi)就完成了校正。但在實際應(yīng)用時，根據(jù)經(jīng)驗常選m在0.51之間。令，可得到補(bǔ)償?shù)匿忼X波斜率：。（6）對于BOOST電路,電感電流上升的斜率：（7）由于輸入電壓隨電網(wǎng)變化,所以補(bǔ)償值不恒定,這樣對于固定補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)，很多時候會發(fā)生過補(bǔ)償或補(bǔ)償不足，降低了電路的性能并導(dǎo)致波形畸變, 因此BOOST電路通常不采用峰值電流模式控制。而對于BUCK型移相全橋變換器電路，有（8）此時斜坡補(bǔ)償值恒定且容易計算。4移相全橋零電壓開關(guān)變換器控制電路的設(shè)計美國Unitrode公司針對移相控制方案推出了UC3875芯片。該集成電路用一個半橋支路對另一個半橋支路的移相開關(guān)實行全橋功率級的控制，使得固定PWM與諧振零電壓開關(guān)相結(jié)合，在高頻具有高效性能。它主要包括以下九個方面的功能：工作電源、基準(zhǔn)電源、振蕩器、鋸齒波、移相控制信號發(fā)生電路、過流保護(hù)、死區(qū)時間設(shè)置、輸出級、誤差放大器和軟啟動。該PWM控制器使移相全橋變換器控制電路的設(shè)計大為簡化?？刂齐娐分饕煞譃槿缦聨撞糠郑弘娐返膮?shù)設(shè)置，電壓電流反饋環(huán)節(jié)，輸出電流限制，電路的保護(hù)等。下面主要討論峰值電流模式控制下的斜坡補(bǔ)償問題，其它的在此均不作討論。 由前面分析可知，采用峰值電流模式控制需要進(jìn)行斜坡補(bǔ)償。UC3875芯片內(nèi)部有鋸齒波發(fā)生器和斜坡補(bǔ)償電路。斜坡設(shè)置腳SLOPE與某一個電源Vx之間接一個電阻Rslope，為鋸齒波腳RAMP提供一個電流為的恒流源，其中Vx通常接芯片的基準(zhǔn)電源Vref。在RAMP腳與信號地GND之間接一個電容Cramp，就決定了鋸齒波的斜率： （9）另外，選定了Rslope和Cramp，同時也就決定了鋸齒波的幅值，其中T為鋸齒波產(chǎn)生的周期。把此固定斜率的鋸齒波輸入到PWM比較器就構(gòu)成了電壓控制型。若在此基礎(chǔ)上，把原邊電流采樣信號疊加在RAMP腳作電流取樣輸入到PWM比較器，就構(gòu)成了峰值電流模式控制。具體接法如圖7所示。則需要補(bǔ)償?shù)男甭剩?（10）根據(jù)上面所述就可計算出斜坡補(bǔ)償電路的參數(shù)。圖7 移相全橋零電壓開關(guān)變換器的控制電路5結(jié)論峰值電流模式控制的系統(tǒng)穩(wěn)定性好，響應(yīng)速度快，實現(xiàn)也很容易，并且能夠限制電路中的峰值電流，從而保護(hù)器件。對此控制電路采用斜坡補(bǔ)償可以增加電路穩(wěn)定性，改善電路的性能, 特別對占空比大于50的電路,進(jìn)行斜坡補(bǔ)償是必要的。實驗表明，采用此控制策略應(yīng)用在移相全橋變換器中，明顯的改善了系統(tǒng)的性能。參考文獻(xiàn):1 周志敏等.開關(guān)電源實用技術(shù)設(shè)計與應(yīng)用.北京：人民郵電出版社,2004.2 王創(chuàng)社等.開關(guān)電源兩種控制模式的分析比較J.電力電子技術(shù),1