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基于输入前馈的CC-FOT控制二次型Boost变换器研究

2022-10-18

通信电源技术 2022年11期
关键词:触发器瞬态稳态

黄 影

(西南民族大学电气工程学院国家民委重点实验室,四川 成都 610041)

0 引 言

随着新能源的高速发展及应用领域的不断拓宽,对新能源发电系统的关键设备开关DC-DC变换器的输入电压范围提出了越来越高的要求[1]。二次型Boost变换器仅使用单个开关管就能实现与占空比成平方关系的电压增益,其在同样的占空比范围内,比传统开关DC-DC变换器具有更宽的输入电压范围,有效降低控制电路的设计难度,所以人们将更多目光投入宽输入电压范围的二次型Boost变换器[2,3]。

开关电源的控制方式是影响开关DC-DC变换器瞬态响应速度和输出电压精度的重要因素[4]。对于开关DC-DC变换器而言,其控制技术可以被分为两类,即脉冲宽度调制技术、脉冲频率调制技术,这一分类依据是占空比的实现方式。对于脉冲宽度调制技术,比较典型的两种控制是电压型、电流型控制;对于脉冲频率调制技术,比较典型的是固定关断时间(Fixed Off Time,FOT)控制。固定关断时间控制是一种基于输出电压纹波的变频控制技术,其控制的变换器输出电压平均值始终小于基准电压,导致输出电压平均值具有稳态偏差[5,6]。与传统脉冲宽度控制技术相比,FOT控制技术具有控制电路简单、动态响应速度快和轻载高效等特点,因而在工程应用中越来越受到欢迎[7,8]。FOT控制的固定关断时间在输入输出变化的情况下会对开关频率特性产生影响,给电磁干扰(Electromagnetic Interference,EMI)滤波器的优化设计带来困难[9]。文献[10]研究了固定关断时间峰值电流模式控制DC-DC降压转换器,系统的瞬态响应迅速,但其开关频率会变化,对系统的稳定性有影响。文献[11]研究了固定导通时间电容电流控制Buck变换器,在电路保持快速瞬态响应速度的同时,消除了输出电压稳态误差以及输出电容等效串联电阻(Equivalent Series Resistance,ESR)对稳定性的影响。文献[12]研究了基于输入输出电压反馈调节的FOT控制Buck变换器,增加输入电压反馈环路,消除了输入输出电压波动对开关频率的影响,且具有优良的动态响应。因此,在CC-FOT控制的基础上,引入输入电压前馈来研究二次型Boost变换器的负载瞬态性能和抗输入电压扰动能力具有重要的意义。

为提高二次型Boost变换器的负载瞬态响应速度和抗输入电压扰动能力,本文提出引入输入电压前馈的CC-FOT控制二次型Boost变换器。首先,分析CC-FOT控制和引入输入电压前馈的CC-FOT控制二次型Boost变换器的工作原理以及关断定时器的基本原理。其次,利用PSIM仿真软件分别搭建CC-FOT控制、引入输入电压前馈的CC-FOT控制和VM控制二次型Boost变换器的仿真电路。最后,通过仿真对理论分析得出的结论进行了验证。

1 CC-FOT控制二次型Boost变换器

1.1 工作原理

图1(a)为CC-FOT控制二次型Boost变换器的原理图,其中主电路包括输入电压vin、负载电阻R、电感L1和L2、电容C1和C2、开关管S以及二极管D1、D2和D3,其电容C1的端电压为vc1、电容C2的端电压为vc2、开关管S的控制电压为vs、负载R两端的输出电压为vo。CC-FOT控制电路包括电容电流采样电阻rc、运算放大器、PI补偿器、斜坡补偿、比较器CM1、关断定时器off timer以及RS触发器。

CC-FOT控制电路中,输出电压vo与基准电压vref的差值经运算放大器、PI补偿器后生成放大误差信号vp,vp与幅值为vr的锯齿波进行斜坡补偿后生成参考信号ve;电容电流ic2经过采样电阻rc采样得到信号rcic2,并与参考信号ve经比较器CM1比较得到RS触发器的S端信号,关断定时器产生的关断定时时间信号为RS触发器R端信号,RS触发器的端信号控制导通定时器,RS触发器的端信号控制开关管S的导通与关断。

结合图1(b)所示的CC-FOT控制二次型Boost变换器控制时序波形,可描述其工作原理。每个开关周期内,当vo达到vref时,产生一个误差放大信号vp,误差放大信号vp经过斜坡补偿生成信号ve,信号ve与采样的电容C2的电流信号rcic2进行比较,比较器CM1输出高电平,然后接到RS触发器的S端,使其置位,端输出vs低电平,开关管S关断,vo开始上升,同时其R端的关断定时器开始定时;当固定关断时间Toff后,关断定时器输出高电平,使RS触发器端输出vs高电平,开关管S导通,vo开始下降。当rcic2与ve相等时,开关管S再次关断,进入下一个工作周期。CC-FOT控制把电容电流引入FOT控制,电容电流能够对输出电压的变化做出快速反应,使其恢复至原稳态,有良好的抗负载扰动能力。

图1 CC-FOT控制二次型Boost变换器原理图和控制时序图

1.2 关断定时器原理

图2(a)为关断定时器的原理图,定时器电路包括直流电流源vg、电容C3、开关管S1、参考门限电压vT、比较器CM2、或门以及或非门。图2(b)为定时器电路的主要控制信号时序波形,其中vc3电容C3的端电压、vs1为开关管S1的控制波形、vq为RS触发器Q端的输出信号。关断定时器通过电流源vg给电容C3充电,从而确定定时器的关断定时时间。当开关管S关断时,电容C3开始充电,vc3由零开始线性上升,vo开始上升,当vc3上升至vT时,经过CM2比较并输出,此时关断定时器给出一个高电平使RS触发器复位,关断定时结束,电容C3进行瞬时放电,开关S1导通,vc3快速下降到零,此时开关管S也导通,输出电压vo开始下降。因此,电容电压vc3由零上升至门限电压vT所需的时间决定了固定关断时间Toff。当二次型Boost变换器的输出电压vo上升到vref时,进入下一个开关周期。

图2 关断定时器原理和主要控制信号时序

当电路稳定工作在CCM模式时,占空比D为

且D=Ton/(Ton+Toff),可得固定关断时间Toff为

当导通时间固定为Ton时,开关频率fs为

由式(3)可知,CC-FOT控制二次型Boost变换器的开关频率与输入输出电压及固定关断时间有关。

2 引入输入电压前馈的CC-FOT控制二次型Boost变换器

图3为引入输入电压前馈的CC-FOT控制二次型Boost变换器的原理图,其中主电路同图1(a),其控制电路在图1(b)的基础上引入了输入电压前馈环,使关断定时器的关断时间随输入电压改变而改变,但其工作原理未改变,与CC-FOT控制具有相同的快速负载瞬态响应。因此,引入输入电压前馈的控制方法,解决了开关频率随输入电压的改变而改变的问题,使变换器在快速的负载瞬态的基础上具有更好的抗输入电压扰动能力。

图3 引入输入电压前馈的CC-FOT制二次型Boost变换器原理

引入输入电压前馈的可调关断定时器的原理图如图4所示,其中gvf为受输入电压vin控制的受控电流源,g为受控系数,其他部分同图2(b)。当vq为低电平时,S1闭合,电容C3放电,否则S1断开,电容C3充电,其充电时间即关断定时时间。当vin变化时,受控电流源的电流相应发生变化,并改变Toff,从而维持fs恒定。

图4 可调关断定时器原理

当vc3从零开始线性上升时,可得:

结合1.2节可知,固定关断时间Toff为

由式(5)可知,引入输入电压前馈控制的电路中,Toff是随vin变化而变化的。令式(5)和式(2)相等,可得:

由式(6)可知,由于输入电压前馈环路的作用,等式右侧分子分母中同时存在输入电压项,因此消除了vin的影响,从而使得fs与vin无关,CC-FOT控制的fs不会因vin的变化而受影响。

由式(6)可知,当fs选定时,关断定时器中受控电流源的受控系数g为

3 仿真分析

3.1 负载瞬态性能

引入输入电压前馈的CC-FOT控制二次型Boost变换器的电路参数:输入、输出电压分别为5 V、20 V,电感 L1、L1分别为 95 μH、330 μH,电容C1、C2分别为 200 μF、100 μF,负载电阻 R 为5 Ω,电容电流采样电阻rc取0.1 Ω,开关频率fs为50 kHz;关断定时器的电流源为1 mA,电容C3为3.9 nF,参考门限电压vT为2.5 V,受控电流源的受控系数g为0.02。采用相同主电路、补偿参数,基于PSIM仿真软件,得到电压型(Voltage Mode,VM)控制和CC-FOT控制、引入输入电压前馈的CC-FOT控制二次型Boost变换器的负载瞬态仿真波形分别如图5(a)、图5(b)、图5(c)所示。

图5 负载瞬态仿真波形

图5(a)中,当VM控制二次型Boost变换器的输出电流io1在0.1 s处从4 A突减至2 A时,输出电压io1经过约17.4 ms的调整后进入稳态;当输出电流io1在0.16 s处从2 A突增至4 A时,输出电压io1经过约27.2 ms的调整后进入稳态。

图5(b)中,当CC-FOT控制二次型Boost变换器的输出电流io2在0.1 s处从4 A突减至2 A时,输出电压vo2经过约12.1 ms的调整后进入稳态;当输出电流io2在0.16 s处从2 A突增至4 A时,输出电压vo2经过约14.1 m的调整后进入稳态。

图5(c)中,当引入输入电压前馈的CC-FOT控制二次型Boost变换器的输出电流io在0.1 s处从4 A突减至2 A时,输出电压vo经过约11.4 ms的调整后进入稳态;当输出电流io在0.16 s处从2 A突增至4 A时,输出电压vo经过约13.3 ms的调整后进入稳态。

由此说明,相比于VM控制二次型Boost变换器,CC-FOT控制、引入输入电压前馈的CC-FOT控制方法有效提升了电路的负载瞬态响应速度。

3.2 输入电压扰动分析

CC-FOT控制、引入输入电压前馈的CC-FOT控制二次型Boost变换器的输入瞬态仿真波形分别如图6(a)、图6(b)所示,其输出电压纹波波形分别如图7、8所示。其中,两种控制方法在输入电压vin为5 V时的固定关断时间相同,都为1 μs。由于FOT控制的输出电压平均值始终小于基准电压,使得电路的输出有稳态偏差。

图6 输入瞬态仿真波形

图 6(a)、图 7(a)、图 7(b)中,当 CCFOT控制二次型Boost变换器的输入电压vin在0.1 s处从5 V突增至6 V时,其Toff保持1 µs不变,通过fs来减小控制信号的占空比,以实现对vo的调节,输出电压vo2经过一段时间进入新的稳态,输出电压vo2变为25 V。当输入电压vo增大时,开关频率降低,导致输出电压纹波增大。

图7 CC-FOT控制二次型Boost变换器的输出电压纹波波形

图6(b)、图8(a)、图8(b)中,当引入输入电压前馈的CC-FOT控制二次型Boost变换器的输入电压vin在0.1 s处从5 V突增至6 V时,通过输入电压前馈环的作用,在维持fs不变的情况下,使Toff增加至1.1 μs,从而减小控制信号的占空比,实现对vo的调节。输出电压vo经过一段时间的调整后进入了稳态,实现了恒压输出。由于变换器的fs保持恒定,其输出电压纹波减小。

图8 引入输入电压前馈的CC-FOT控制二次型Boost变换器的输出电压纹波波形

由此说明,相比于CC-FOT控制二次型Boost变换器,引入输入电压前馈后,变换器的开关频率不随输入电压的改变而改变,电路具有更好的抗输入电压扰动能力。

4 结 论

本文详细分析了CC-FOT控制、引入输入电压前馈的CC-FOT控制二次型Boost变换器以及关断定时器的工作原理,搭建了VM控制和CC-FOT控制、引入输入电压前馈的CC-FOT控制二次型Boost变换器的仿真模型。通过时域仿真,与VM控制二次型Boost变换器对比分析了电路的负载瞬态性能,并分析了引入输入电压前馈控制环后电路的抗输入电压扰动能力。研究结果表明:相比于VM控制,提出的CC-FOT控制、引入输入电压前馈的CC-FOT控制二次型Boost变换器具有更快的负载瞬态响应速度;相比于CC-FOT控制,提出的引入输入电压前馈的CC-FOT控制二次型Boost变换器的电路具有更好的抗输入电压扰动能力。仿真结果验证了理论分析的正确性。

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