基于脈沖序列控制技術(shù)的降壓型開(kāi)關(guān)電源

0 引言

近年來(lái)， 隨著(zhù)電子技術(shù)和信息技術(shù)迅速發(fā)展，開(kāi)關(guān)電源成為了電子工程領(lǐng)域應用和研究的熱點(diǎn)。與線(xiàn)性電源相比， 開(kāi)關(guān)電源在效率、功率密度、成本等方面顯示出了明顯的優(yōu)勢， 目前已經(jīng)成為主要的DC-DC變換設備。對開(kāi)關(guān)電源控制技術(shù)的研究也已成為電力電子技術(shù)領(lǐng)域中最為活躍的部分。

脈沖序列控制( PULSE T rain M， PT ) 是一種新型定頻、非線(xiàn)性的電源控制技術(shù)。該技術(shù)利用脈沖控制器，根據開(kāi)關(guān)電源的工作狀態(tài)， 按照一定規律通過(guò)高能量脈沖和低能量脈沖組成的脈沖序列對主電路進(jìn)行控制。與傳統的PWM 控制不同， PT 控制系統沒(méi)有延遲環(huán)節， 對變換器輸入端或輸出端出現的擾動(dòng)具有較快的響應速度。

1 PT 工作原理及調制特性

1. 1 PT 控制的工作原理

PT 控制技術(shù)通過(guò)在兩級固定占空比的高、低能量脈沖中進(jìn)行選擇， 控制開(kāi)關(guān)管的導通和關(guān)斷， 從而實(shí)現對變換器輸出電壓的調節。如果輸出電壓Uo 低于基準電壓Uref , 控制器將連續產(chǎn)生高能量脈沖PH 直到輸出電壓達到基準電壓值， 高能量脈沖的占空比為DH ; 如果輸出電壓Uo 高于基準電壓Uref , 控制器將連續產(chǎn)生低能量脈沖PL 以降低輸出電壓， 低能量脈沖的占空比為DL ( DL DH ) .由于高能量脈沖導通時(shí)間比低能量脈沖導通時(shí)間長(cháng)， 因此高能量脈沖作用的周期內將有更多的能量傳遞至負載端。圖1( a) 和圖1( b) 分別顯示了PT 控制Buck 變換器結構圖和PT 控制原理示意圖。

圖1 PT 控制電路及原理示意圖

本文以PT 控制技術(shù)應用于斷續導電模式( DiscONt inuous Conduction Mode, DCM) 的Buck 變換器為例進(jìn)行研究。采用斷續導電模式的優(yōu)勢在于能夠實(shí)現開(kāi)關(guān)管的零電流導通和二極管的零電流關(guān)斷。從而減少了開(kāi)關(guān)損耗和電磁噪聲。高能量脈沖和低能量脈沖的占空比之間的比值k ( k= DH / DL ) 由變換器輸出電壓紋波和功率調節范圍折衷確定。

圖1( b) 顯示了PT 控制開(kāi)關(guān)變換器的輸出電壓和電感電流波形。由于在MOSFET 開(kāi)關(guān)管導通期間電感電流線(xiàn)性增長(cháng)， Buck 變換器在高能量脈沖周期內開(kāi)關(guān)管電流的平均值為：

則PH 控制的一個(gè)開(kāi)關(guān)周期內從變換器輸入端獲得的能量為：

式中， T 為變換器的開(kāi)關(guān)周期。

同理， 在一個(gè)低能量脈沖周期內從變換器輸入端獲得的能量為：

由式( 1) 和( 2) 可知： 低能量脈沖周期內變換器傳遞的能量為高能量脈沖周期的1/ k2 .由于高、低能量脈沖周期相同， 故變換器的開(kāi)關(guān)頻率是固定不變的。

1. 2 PT 控制的實(shí)現方式

本節設計一種簡(jiǎn)單實(shí)用的脈沖序列控制器， 如圖2 所示。圖2 中時(shí)鐘信號CP( Clock Pulse) 由峰峰值為- 10 V到+ 10 V 的鋸齒波信號USAW 與電壓信號UGN D ( UGND = 0) 通過(guò)比較器Ccp產(chǎn)生; 變換器輸出電壓Uo 與基準電壓Uref 通過(guò)比較器C1 產(chǎn)生電壓信號Ue;觸發(fā)器D 在時(shí)鐘來(lái)臨時(shí)刻將電壓信號Ue 傳遞至輸出端Q, 并在下一時(shí)鐘來(lái)臨之前保持不變; 比較器C2 將D 觸發(fā)器的輸出信號和鋸齒波進(jìn)行比較產(chǎn)生控制脈沖PH 或PL 實(shí)現對變換器的控制。

上述PT 控制器的工作過(guò)程為： 在開(kāi)關(guān)周期的起始時(shí)刻， 時(shí)鐘信號CP 來(lái)臨， 若此時(shí)Uo > Uref , 則Ue 為高電平; 時(shí)鐘信號同時(shí)使觸發(fā)器D 觸發(fā)， 觸發(fā)器輸出信號Ud 在下一時(shí)鐘脈沖來(lái)臨前保持高電平不變; 鋸齒波信號USAW 與Ud 經(jīng)過(guò)C2 比較， 輸出占空比為DL的低能量脈沖信號P L.若Uo Uref , 則Ue 為低電平;觸發(fā)器輸出信號Ud 在下一時(shí)鐘脈沖來(lái)臨前保持低電平不變; 鋸齒波信號USAW 與Ud 比較產(chǎn)生占空比為DH的高能量脈沖信號PH .PT 控制器主要工作波形如圖2( b) 所示。

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