输入电压前馈型三环控制Buck变换器研究
发布时间：2022-02-15 10:16
为了提高Buck变换器的输入与输出电压响应速度、稳压精度和抗干扰能力,提出了输入电压前馈+平均电流反馈+输出电压反馈型三环控制方式。在基于峰值电流反馈型的V2C三环Buck变换器基础上修正了拓扑结构:引入输入电压前馈环节,修正双电压反馈型为电压前馈+电压反馈型,改进峰值电流反馈型为平均电流反馈型,形成了新的三环控制方式的Buck变换器拓扑结构;通过分析工作原理和推导有源-无源开关对等效模型,构建了整体小信号模型,获得了传递函数;采用Pspice软件搭建模块与编程,将新型三环控制方式与峰值电流型V2C三环控制方式进行时域、频域对比仿真分析验证,表明提出的三环控制方式其输入与输出电压响应速度、稳压精度和抗干扰能力均优于后者。
【文章来源】：电源技术. 2020,44(08)北大核心
【文章页数】：5 页
【部分图文】：
图３?ＳＰＤＴ的小信号模型??０５??２０２０．８?Ｖｏｌ．４４?Ｎｏ．８??
本文采用开关元件平均法进行建模分??析。??动态分析是研究ＤＣ－ＤＣ功率变换器的一个关键领域，为??了便于分析，将变换器进行模块化分组，分为三个功能模块：??功率级模块、ＰＷＭ模块和控制反馈模块。本文着重对ＰＷＭ??模块，即有源－无源开关对模块进行了小信号模型等效，然后??将三个功能块的小信号模型进行功能整合，组成一个完整的??闭环控制模型。??２．１有源－无源开关对的等效模型构建??建模中，将功率管Ｓ与二极管Ｑ组成的有源－无源开关??对，看作一个ＳＰＤＴ（单刀双掷）开关，如图２（ａ）的虚线框所示。??占空比用（ｉ表示，开关周期用ｒｓ表示。ＤＣ－ＤＣ变换器的导通??模式有两种［１１］：连续导通模式（ＣＣＭ）和断续导通模式（ＤＣＭ），??本文研究的Ｂｕｃｋ变换器小信号模型仅考虑了?ＣＣＭ。使用开??关函数＜？，定义在导通期间ｄ７；为１，关断期间（１－句７；为０，??有：??ｑ：??ｄＴｔ??（ｉ）??＇ｈ??（ａ）有源“无源开关对?（ｂ）等效ＳＰＤＴ开关物理模型??图２?ＳＰＤＴ开关电路??由有源－无源开关对的端口工作机理且假设电路变量不??偏离其局部的平均值有：??Ｋｄ?（２）??ｌ＝ｌｄ?（３）??式（２）、（３）的电路方程与双绕组变压器的电路方程一致，即??占空比ｄ可看作是变压器的原边－副边的匝数比，于是ＳＰＤＴ??可等效为双绕组变压器。式（２）、（３）中引入交流小信号，忽略二??次高阶项，分离出交流变量信号，得到小信号表示为：??＾?＝?＋?（４）??ｌ＝ｌＪ?＋?Ｄｉｃ?（５）??则得到如图３所示的等效小信号电路模型。??构建Ｂｕｃｋ变换器Ｓ域小信号模型，如图４所示。??令
误差放大器??（ａ）拓扑结构??时，??钟??０?＿??Ｋｔ??Ｖｐ?！??ｏｈ?ｉｉ?ｉｉ?＞ｆ??（ｂ）控制波形??图１?输入电压前馈型三环控制Ｂｕｃｋ变换器??Ｂｕｃｋ变换器构建了小信号模型，详细推导了变换器中有源＿??无源开关对的等效模型，求出了相关传递函数；最后，对该模??型进行了时域、频域仿真验证，表明本文提出的输入电压前馈??型三环控制方式能够显著提升Ｂｕｃｋ变换器的输人电压突变??响应速度、负载突变响应速度、输出电压稳压精度及达到较好??的抗干扰目的。??１输入电压前馈＋平均电流反馈＋输??出电压反馈三环控制Ｂｕｃｋ变换器??１．１拓扑设计??图１（ａ）为本文提出的输人电压前馈型三环控制拓扑结构。??虚线框①为引人的输人电压前馈环节，即把输人电压信号，进??行前向反馈控制；虚线框②将Ｗ组合型三环控制方式反馈??回路中的峰值电流反馈改为平均电流反馈；虚线框③为仅采??用Ｖｔ组合型三环控制方式中的一个输出电压反馈环节，由??此获得了一种输人电压前馈＋输出电压反馈＋平均电流反馈??的三环控制方式。??１．２工作原理??在每个时钟周期开始时，时钟信号使锁存器复位，功率开??关管Ｓ导通，此时外部反馈电路开始工作，采集输出电压信号??Ｖ。，?Ｖ。与参考电压ＶＷ比较后经误差放大器输出误差信号Ｖ，，??然后■与采集的电感电流信号Ｖ，相减后经电流积分器输出??信号匕，匕信号与前向输入电源电压信号％经过一个信号??处理器后输出脉宽信号％，控制功率开关管Ｓ的导通与关断。??与常规的ＶＴ三环控制方式相比，本文的信号采集处理最大??的不同点在于：将输入电压信号进行前向反馈，减小了输入电??压经后级
【参考文献】：
期刊论文
[1]开关变换器及其控制环路的建模综述[J]. 周国华,冷敏瑞,李媛,田庆新,邓伦博. 中国电机工程学报. 2020(01)
[2]电压型控制SIDO CCM Buck变换器的统一离散迭代映射模型及稳定性研究[J]. 王瑶,许建平,周国华. 中国电机工程学报. 2018(09)
[3]基于V2控制方法双Boost-Buck单一逆变器的风光储分布并网/孤岛离网控制模式[J]. 希望·阿不都瓦依提,晁勤,王筱. 电工技术学报. 2016(22)
[4]阻抗源电流型变流器的基本原理和研究现状[J]. 李大飞,郭文勇,全生财. 电工电能新技术. 2016(08)
[5]V2控制Buck转换器的预测无差拍控制器设计[J]. 陈晨,童乔凌,张侨,闵闰. 华中科技大学学报(自然科学版). 2016(04)
[6]恒定导通时间电容电流控制Buck变换器研究[J]. 张希,沙金,徐杨军,许建平,陈兴. 电工技术学报. 2015(23)
[7]开关变换器调制与控制技术综述[J]. 周国华,许建平. 中国电机工程学报. 2014(06)
[8]V2C控制Buck变换器稳定性分析[J]. 周国华,许建平,米长宝,金艳艳. 电工技术学报. 2011(03)
本文编号：3626447
【文章来源】：电源技术. 2020,44(08)北大核心
【文章页数】：5 页
【部分图文】：
图３?ＳＰＤＴ的小信号模型??０５??２０２０．８?Ｖｏｌ．４４?Ｎｏ．８??
本文采用开关元件平均法进行建模分??析。??动态分析是研究ＤＣ－ＤＣ功率变换器的一个关键领域，为??了便于分析，将变换器进行模块化分组，分为三个功能模块：??功率级模块、ＰＷＭ模块和控制反馈模块。本文着重对ＰＷＭ??模块，即有源－无源开关对模块进行了小信号模型等效，然后??将三个功能块的小信号模型进行功能整合，组成一个完整的??闭环控制模型。??２．１有源－无源开关对的等效模型构建??建模中，将功率管Ｓ与二极管Ｑ组成的有源－无源开关??对，看作一个ＳＰＤＴ（单刀双掷）开关，如图２（ａ）的虚线框所示。??占空比用（ｉ表示，开关周期用ｒｓ表示。ＤＣ－ＤＣ变换器的导通??模式有两种［１１］：连续导通模式（ＣＣＭ）和断续导通模式（ＤＣＭ），??本文研究的Ｂｕｃｋ变换器小信号模型仅考虑了?ＣＣＭ。使用开??关函数＜？，定义在导通期间ｄ７；为１，关断期间（１－句７；为０，??有：??ｑ：??ｄＴｔ??（ｉ）??＇ｈ??（ａ）有源“无源开关对?（ｂ）等效ＳＰＤＴ开关物理模型??图２?ＳＰＤＴ开关电路??由有源－无源开关对的端口工作机理且假设电路变量不??偏离其局部的平均值有：??Ｋｄ?（２）??ｌ＝ｌｄ?（３）??式（２）、（３）的电路方程与双绕组变压器的电路方程一致，即??占空比ｄ可看作是变压器的原边－副边的匝数比，于是ＳＰＤＴ??可等效为双绕组变压器。式（２）、（３）中引入交流小信号，忽略二??次高阶项，分离出交流变量信号，得到小信号表示为：??＾?＝?＋?（４）??ｌ＝ｌＪ?＋?Ｄｉｃ?（５）??则得到如图３所示的等效小信号电路模型。??构建Ｂｕｃｋ变换器Ｓ域小信号模型，如图４所示。??令
误差放大器??（ａ）拓扑结构??时，??钟??０?＿??Ｋｔ??Ｖｐ?！??ｏｈ?ｉｉ?ｉｉ?＞ｆ??（ｂ）控制波形??图１?输入电压前馈型三环控制Ｂｕｃｋ变换器??Ｂｕｃｋ变换器构建了小信号模型，详细推导了变换器中有源＿??无源开关对的等效模型，求出了相关传递函数；最后，对该模??型进行了时域、频域仿真验证，表明本文提出的输入电压前馈??型三环控制方式能够显著提升Ｂｕｃｋ变换器的输人电压突变??响应速度、负载突变响应速度、输出电压稳压精度及达到较好??的抗干扰目的。??１输入电压前馈＋平均电流反馈＋输??出电压反馈三环控制Ｂｕｃｋ变换器??１．１拓扑设计??图１（ａ）为本文提出的输人电压前馈型三环控制拓扑结构。??虚线框①为引人的输人电压前馈环节，即把输人电压信号，进??行前向反馈控制；虚线框②将Ｗ组合型三环控制方式反馈??回路中的峰值电流反馈改为平均电流反馈；虚线框③为仅采??用Ｖｔ组合型三环控制方式中的一个输出电压反馈环节，由??此获得了一种输人电压前馈＋输出电压反馈＋平均电流反馈??的三环控制方式。??１．２工作原理??在每个时钟周期开始时，时钟信号使锁存器复位，功率开??关管Ｓ导通，此时外部反馈电路开始工作，采集输出电压信号??Ｖ。，?Ｖ。与参考电压ＶＷ比较后经误差放大器输出误差信号Ｖ，，??然后■与采集的电感电流信号Ｖ，相减后经电流积分器输出??信号匕，匕信号与前向输入电源电压信号％经过一个信号??处理器后输出脉宽信号％，控制功率开关管Ｓ的导通与关断。??与常规的ＶＴ三环控制方式相比，本文的信号采集处理最大??的不同点在于：将输入电压信号进行前向反馈，减小了输入电??压经后级
【参考文献】：
期刊论文
[1]开关变换器及其控制环路的建模综述[J]. 周国华,冷敏瑞,李媛,田庆新,邓伦博. 中国电机工程学报. 2020(01)
[2]电压型控制SIDO CCM Buck变换器的统一离散迭代映射模型及稳定性研究[J]. 王瑶,许建平,周国华. 中国电机工程学报. 2018(09)
[3]基于V2控制方法双Boost-Buck单一逆变器的风光储分布并网/孤岛离网控制模式[J]. 希望·阿不都瓦依提,晁勤,王筱. 电工技术学报. 2016(22)
[4]阻抗源电流型变流器的基本原理和研究现状[J]. 李大飞,郭文勇,全生财. 电工电能新技术. 2016(08)
[5]V2控制Buck转换器的预测无差拍控制器设计[J]. 陈晨,童乔凌,张侨,闵闰. 华中科技大学学报(自然科学版). 2016(04)
[6]恒定导通时间电容电流控制Buck变换器研究[J]. 张希,沙金,徐杨军,许建平,陈兴. 电工技术学报. 2015(23)
[7]开关变换器调制与控制技术综述[J]. 周国华,许建平. 中国电机工程学报. 2014(06)
[8]V2C控制Buck变换器稳定性分析[J]. 周国华,许建平,米长宝,金艳艳. 电工技术学报. 2011(03)
本文编号：3626447
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