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開關(guān)變換器脈沖開關(guān)調(diào)制技術(shù)

文檔作者：鐘曙許建平沙金王金平文檔來源：西南交通大學(xué) 磁浮技術(shù)與磁浮列車教育部重點實驗室		點擊數(shù)：	更新時間： 2021年06月11日
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第47卷第9期
2013年9月
電力電子技術(shù)
Power Electronics
Vo1．47，No．9
September 2013
開關(guān)變換器脈沖開／關(guān)調(diào)制技術(shù)
鐘 曙，許建平，沙 金，王金平
(西南交通大學(xué)，磁浮技術(shù)與磁浮列車教育部重點實驗室，四川成都610031)
摘要：提出了開關(guān)變換器脈沖開／關(guān)調(diào)制(POM)技術(shù)。POM控制在時鐘周期起始時刻采樣變換器輸出電壓，并
與參考電壓比較，根據(jù)比較結(jié)果使主功率開關(guān)管完全導(dǎo)通或關(guān)斷，從而控制變換器輸出電壓。以Buck變換器
為例，分析了POM控制原理和特性。理論和實驗表明提出的變換器瞬態(tài)響應(yīng)速度快，輕載效率較高。
關(guān)鍵詞：變換器；脈沖開關(guān)調(diào)制；瞬態(tài)響應(yīng)；輕載效率
中圖分類號：TM46 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1000一lOOX(2O13)09—0107—02
Switching Converter Pulse 0n／0f M odulation Technique
ZHONG Shu，XU Jian—ping，SHA Jin，．WANG Jin—ping
(Key Laboratory ofMagnetic Suspension Technology and Maglev Vehicle，Ministry ofEducation，
Southwest Jiaotong Unwersity，Chengdu 610031，China)
Abstract：Pulse on／of modulation(POM)technique for switching converter is presented．POM controller generates the
on／of modulation signal through comparing the output voltage with the reference voltage to realize the control of the
conve~er．Buck conve~er is used as an example to illustrate the operation principle of POM control technique．Analysis
and experimental results show that POM control has fast transient response speed and high light load eficiency．
Keywords：conve~er；pulse on／of modulation；transient response；light load eficiency
Foundation Project：Supposed by National Natural Science Foundation of China(N0．51177140)；The Fundament~
Research Funds for the Central Universities(No．2682013ZT20)
1 引 言 2 P0M 控制原理
現(xiàn)代電子設(shè)備對開關(guān)變換器的魯棒性、瞬態(tài)
特性及效率提出了更高要求Ⅲ。開關(guān)變換器普遍
采用脈沖寬度調(diào)制(PWM)或脈沖頻率調(diào)制(PFM)
實現(xiàn)對輸出電壓的控制【 。PWM存在輕載效率低、
動態(tài)響應(yīng)速度較慢等缺點：PFM 由于開關(guān)頻率隨
輸入電壓及負(fù)載的變化而變化．增加了反饋控制
環(huán)路和濾波電路的設(shè)計難度[3】。脈沖跨周期調(diào)制
主要應(yīng)用于電感電流斷續(xù)導(dǎo)電模式(DCM)開關(guān)
變換器，其應(yīng)用范圍受限。
相比傳統(tǒng)PWM控制，POM控制無PI環(huán)節(jié)．
具有控制簡單、瞬態(tài)響應(yīng)速度快的優(yōu)點。在輕載
時，POM控制通過增加關(guān)斷時鐘周期、減少開關(guān)
動作次數(shù)、降低開關(guān)損耗，以提高轉(zhuǎn)換效率。在此
分析了POM控制Buck變換器工作原理。研究了
其控制特性，實驗結(jié)果驗證了其可行性和優(yōu)越性。
基金項目：國家自然科學(xué)基金(51177140)；中央高?；?
科研業(yè)務(wù)費(fèi)專項資金(2682013ZT20)
定稿日期：2013—07—31
作者簡介：鐘 曙(1990一)，男，湖南婁底人，碩士研究生，
研究方向為開關(guān)電源控制技術(shù)。
POId控制Buck變換器電路原理如圖1a所
示．其中POM控制器包含比較器和D觸發(fā)器，D
觸發(fā)由時鐘信號 同步觸發(fā)，觸發(fā)周期為 。
POM控制器調(diào)節(jié)過程為：采樣輸出電壓 與參考
電壓 比較，在觸發(fā)時鐘來臨時，若uo> ，則控
制脈沖 輸出低電平，開關(guān)管關(guān)斷，輸出電壓下
降；若tg< ，則 輸出高電平，開關(guān)管導(dǎo)通，輸
出電壓上升。通過逐時鐘周期的開／關(guān)控制，使
動態(tài)穩(wěn)定在 上下。POM控制Buck變換器工作
波形如圖1b所示。穩(wěn)態(tài)工作時， 由導(dǎo)通脈沖P曲
和關(guān)斷脈沖 組合而成，形成一個脈沖序列周期
。用 ， 分別表示 內(nèi)導(dǎo)通與關(guān)斷時鐘周
期 總個數(shù)，則TM=( + ) 。當(dāng)輸入電壓或負(fù)
載發(fā)生變化時，控制器通過調(diào)整 內(nèi)的導(dǎo)通與關(guān)
斷脈沖組合實現(xiàn)對變換器輸出電壓的控制。
(a)電路原理 (b)I作波形
圖1 POM控制Buck變換器
Fig．1 POM controlled Buck converter
107
開關(guān)變換器脈沖開／關(guān)調(diào)制技術(shù)
3 POM 控制特性分析
DCM Buck變換器輸入端在 內(nèi)傳遞的輸入
能量Ei=Ui( —Uo)D V／(2L)，其中， ， 分別為
輸入、輸出電壓穩(wěn)態(tài)值；D為開關(guān)管導(dǎo)通占空比。
P0n工作時，D=I； 工作時，D=0。因此，POM控制
DCM Buck變換器輸入端在 內(nèi)傳遞的能量為：
ΣEi=No．Ui( —Uo) ／(2L) (1)
設(shè)變換器轉(zhuǎn)換效率為卵，則輸出功率為：
Po=[nUi(Ui-Uo)／2L]研Ⅳ0n／(Ⅳ0n+‰ )】 (2)
令 = ，則式(2)可化為：
尸n= ( —uo)／(2L)]T／(1+k) (3)
由式(3)可知，與傳統(tǒng)PWM連續(xù)調(diào)節(jié)脈寬方
式不同，POM控制通過調(diào)節(jié) 內(nèi)k實現(xiàn)對輸出
電壓的控制。采用以下電路參數(shù)： =5．6 IzH，c：
470 F，R=6 I ，T=5 s， =6 V， =14 V，7／=0．9，
得到Pn與k的關(guān)系曲線如圖2所示?？梢?，k隨
的減小而增大，相應(yīng)，v ，即有效開關(guān)頻率降低。負(fù)
載較輕時，變換器主要損耗為開關(guān)損耗，故POM
控制Buck變換器具有較高的輕載效率。
P f
圖2 Po與k關(guān)系曲線
Fig．2 The CHIVe between Pn and k
POM控制Buck變換器在電感電流連續(xù)模式
(CCM)工作時，應(yīng)滿足在 內(nèi)電感電流上升量與
下降量相等，即：[(Ui—Uo)／L]NonT=(UolL) 。電壓
增益A =Uo／U,=No,／(Ⅳ帥+ )。
主
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圖3 不同負(fù)載時變換器穩(wěn)態(tài)波形
Fig．3 Steady state waveforms of converter under different loads
圖4a為POM 控制DCM Buck變換器負(fù)載由
3 w 跳變至9 W 時的工作波形?？梢姡?fù)載加重
后，在關(guān)斷脈沖作用下輸出電壓很快下降到參考
值，并觸發(fā)導(dǎo)通脈沖工作．變換器瞬態(tài)響應(yīng)速度很
快，且輸出電壓穩(wěn)定。即POM控制通過逐時鐘周
期控制開關(guān)管導(dǎo)通與關(guān)斷，實現(xiàn)了快速的瞬態(tài)響
應(yīng)；取 =100 txH，C=470 tLF，R=3 n，T=5 s， =
6 V，Ui=15 V。得到POM控制CCM Buck變換器穩(wěn)
態(tài)工作波形如圖4b所示?？梢姡?1M=7T，Ⅳfln=3，
： 4，由A 表達(dá)式可得4 理論值為0．43，實際
值為0．4。由于存在開關(guān)管管壓降和線路壓降， ．．
實際值與理論值存在差異，但基本相符。
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(a)DCM Buck變換器負(fù)載瞬態(tài)響應(yīng)波形(b)CCM Buck變換器穩(wěn)態(tài)波形
圖4 POM控制實驗波形
Fig．4 POM control experimental waveforms
4 實驗研究 5 結(jié) 論
為驗證POM控制的可行性，采用與理論分析
相同的電路參數(shù)，對POM控制Buck變換器進(jìn)行
實驗研究。圖3為不同負(fù)載時，變換器輸出電壓紋
波△“、輸出電壓 、電感電流 及控制脈沖 波
形。由圖3a可知，14．4 W 負(fù)載時， =5T，Ⅳ0n=2，
= 3，k=1．5； 由圖3b可知，6 W 負(fù)載時， =6T，
Ⅳ鋤=1， =5，k=5； 由圖3c可知，3 W 負(fù)載時， =
12T， =l，Ⅳ l1，k=ll。綜合圖3a～C可見，變換
器輸出電壓在負(fù)載變化過程中保持穩(wěn)定，且恒為
6 V．k值隨著變換器負(fù)載減輕而增大．即 內(nèi)關(guān)
斷脈沖所占比重增加，開關(guān)損耗降低。因此變換器
輕載工作時有較高的轉(zhuǎn)換效率。
1O8
提出并研究了開關(guān)變換器脈沖開／關(guān)調(diào)制技
術(shù)。理論分析和實驗結(jié)果驗證了POM控制開關(guān)變
換器具有瞬態(tài)響應(yīng)速度快和輕載效率高的優(yōu)點。
參考文獻(xiàn)
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