MHz级单管AC-DC数字变换器控制策略研究

发布时间：2020-08-09 05:09

【摘要】：隔离型AC-DC开关电源采用变压器实现电气隔离,具有安全特性高、稳定性好的特点,广泛应用于手机适配器、LED电源、平板电脑适配器等中小功率电源中。但随着智能设备的发展与升级,其消耗功率日益提升,为了保持充电适配器的便携性,需要研究高频率、高效率、高性能的隔离型AC-DC变换器。在高频隔离型AC-DC变换器中,单管结构软开关变换器具有电路结构简单,控制难度低,以及稳定性高的优点,尤为适合中小功率的AC-DC变换器设计。但该类变换器存在转换效率低、电压应力高、开关噪声大等缺点,使开关频率难以提升,阻碍了该类变换器的高频化进程。因此,研究结构简单、成本低廉的高频隔离型单管变换器及其高性能控制方法具有很重要的学术意义与实用价值。本文主要研究MHz级隔离型单管变换器拓扑及其高性能、低成本控制算法。分析了MHz级隔离型单管变换器高频化的难点,提出了一种利用寄生参数谐振实现谷底导通的变换器拓扑方案,大幅降低了开关损耗,使开关频率达到1MHz;在此基础上,研究并设计了高效率、低成本的闭环控制算法、输出电压的高精度和低纹波控制算法以及负载切换时的高动态响应控制算法。主要创新工作如下:1、提出了一种MHz级隔离型单管准谐振变换器拓扑。只采用一个开关管,实现了近似完全软开关的效果,包括开关管谷底电压导通、开关管零电流关断以及二极管零电流关断,其中利用谐振电感与寄生电容的谐振实现了开关管谷底电压导通,相比传统准谐振电源,转换效率得到很大提升。在无同步整流的条件下,实现谷底导通后,变换器效率提升约10%,开环峰值效率达到90.4%,且满载开关频率达到1MHz。2、提出了一种基于开关周期抖动的脉冲频率调制(Pluse Frequency Modulation,PFM)方法实现闭环控制,降低了闭环实现难度。通过电流过零检测,实现连续电流(Continuous Conduction Modulation,CCM)模式下的开关管零电流关断与谷底电压导通,避免了电流直接采样,降低了CCM模式下的实现难度;通过输出绕组电压过零检测,实现断续电流(Discontinuous Conduction Modulation,DCM)模式下的开关管峰值电压导通,避免了电压直接采样,降低了DCM模式下的实现难度。测试表明,基于上述控制方法能够实现稳定的环路控制。3、提出了一种高精度低纹波数字控制算法,解决了变换器拓扑在CCM模式闭环控制中存在的大输出电压纹波问题。通过将不同谷底控制的开关周期均匀分布,实现了极低的输出电压纹波;另外通过对输出电压的检测,提出了一种稳态误差补偿算法,通过修正参考电压,消除输出电压的微小稳态误差,进一步提高输出电压精度。测试结果表明,输出电压为20V时,其输出电压精度为0.4%;输出纹波减小到240mV,为优化前输出纹波的1/4,峰值效率达到89.6%。4、提出了一种高动态数字控制算法,解决了变换器在大范围负载切换中动态响应特性差的问题。通过设定输出电压的上限与下限,引入两种动态模式,极大地减小了动态电压纹波与恢复时间;在重载切换轻载的动态过程中,提出了一种开关周期比例迭代算法,可以准确检测得到负载切换后稳定时的负载控制参数,以此消除动态过程中的输出电压振荡,大幅减小了动态恢复时间。测试结果表明,当负载从0.5%负载切换到满载时,输出欠压由11.6V减小到1.04V,欠压恢复时间从654.0μs减小到59.8μs;当负载从满载切换到0.5%负载时,输出过冲电压由1.44V减小到0.88V,过压恢复时间从47.4ms减小到2.92ms。本文设计的变换器尤为适合中小功率高频隔离型变换器设计,其开关频率达到1MHz,且实现了高效率、高精度、高动态的输出特性,具有很好的应用前景与研究价值。
【学位授予单位】：东南大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TM46
【图文】：

效率曲线,多模式,效率曲线,全负载

第一章绪论面，多模式控制方法是常用的效率优化方法，常用模式包括轻制(Pulse Width Modulation，PWM) 模式，脉冲频率调制(Pulse Fr同负载情况下使用不同的调制方式，在负载降低时尽可能降低式来保证全负载范围内变换器都可以实现较高效率[35-38]。例如多模式控制技术提高了交错并联反激变换器的全负载范围效率如图 1-10 所示[38]。但多模式控制未必能在全负载范围内达到最了分段化的考虑，并没有针对每一个特定负载进行效率优化。

波形,设备,开关管,导通

(c)直流电子负载 (d)示波器图 5-9 测试使用的设备环控制算法验证机在 CCM 模式下的开环测试波形。如图 5-10(a)，可以看到 GaN电压 vgs的关断电压为-2V，导通电压为 6.0V。当开关管关断时，原管 ZCS 关断。在开关管导通时刻开关管漏端电压 vds位于其谐振的其次，由于谷底导通时，原边电流 ip为零，开关管实现了 ZCS 导容在导通时刻的放电损耗，变换器的开关损耗大大减小。另外，如似线性下降到零，实现了二极管 ZCS 关断，避免了二极管反向恢谷底导通时，变换器的软开关效果较好。此时负载为 5.7Ω，开环测开关管ZCS关断开关管谷底导通vgsiDvds二极管ZC

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