电流型双脉冲跨周期调制Buck变换器研究

1、电流型双脉冲跨周期调制buck变换器研究传统的开关dc-dc变换器一般采用脉冲宽度调制(pulse width modulation, pwm)技术实现对开关dc-dc变换器的闭环控制。pwm作为一-种 线性定频变脉宽调制技术，通过采用调整控制脉冲的占空比技术实现对开关变换 器输出电压的控制。目前，pwm调制技术发展相对成熟，在电力电子工业界得 到了广泛应用。随着对电源系统性能的要求不断提高，以线性理论为基础的pwm 调制技术在鲁棒性、瞬态响应等方面始终难以令人满意。非线性控制方法的引入 有效地改善了系统的动态特性，解决了上述线性控制技术中存在的问题，此控制 技术已得到国内外研究人员的关注。脉

2、冲跨周期调制(pulse skipping modulation, psm)技术作为一种汕线性控 制技术，它自提岀以来在工业界得到了广泛应用。相比pwm技术，psm技术 具有电路设计简单，瞬态响应速度快以及轻载时工作效率高等优点。文献笛提 出了 dpsm技术，这种技术结合了 psm技术和脉冲序列(pulse train, pt)技术。 其工作原理是根据开关电源输出电压与基准电压的关系來确定脉冲序列控制器 对功率脉冲的选择，最终保证输岀电压达到稳定状态。然而，文献中提出的电压 型dpsm buck变换器为单一电压环控制，该技术在电路启动时易产生电流过冲 现象，必须加入软启动电路和过流保护电路对电

3、路进行保护，因而增加了电路设 计的复杂度。针对上述问题，本文提岀了一种电流型dpsm技术，该技术成功 地消除了电路启动时的电流过冲现彖，同时还保持了电压型dpsm技术所有的 优点。电流型dpsm技术是一种具有独特控制方式的简单的开关dc-dc变换器 控制方法，目前还未见相关的理论分析以及动力学建模的硏究报道。木文主要以 buck变换器为例，首先阐述电流型dpsm技术的基本工作原理，推导输出电压 变化量与负载电阻z间的关系；其次对工作于dcm的dpsm buck变换器进行 动力学建模与以负载电阻为变量的分岔分析；最后通过psim仿真结果分析和实 验电路制作验证电流型dpsm技术理论分析的正确性。

4、动力学建模与脉冲组合规律1 buck变换器的动力学分析图1为工作于dcm的电流型dpsm buck变换益的 工作波形。在一个开关周期内,buck变换器具有三种不 同的开关状态。这三种不同开关状态的时间区间内，高 功率脉冲、低功率脉冲和跨周期脉冲的持续时间分别定 义为巾、丁 ih和丁 2h"0l、6l和丁汕以及丁00、才0和丁 d ,则有:丁q , "> i 】tj= ty, vm d > v2 , j = h 丄，0(1 )假设in和vn> in+1和vn+1分别是电感电流i(t)和输岀电容电压即输岀电压v(t) 在时钟nt、(n+1)t时刻的采样值。根据

5、一个开关周期内三种不同的电路拓扑结 构，可得到不同状态时的时域解。开关状态i：开关管s导通，续流二极管d关断。电路状态方程表示为 ldi/dt二v+e、cdv/dt=i-v/r,时域解为:式(8)所描述的离散吋间映射模型是二维离散动力学系统模型。由于电流型 dpsm dcm buck变换器在每个开关周期初始和结束时刻恒为零，因此式(8)所 描述的模型可以降为一维离散时间映射模型，即有：将电感电流ih、il代入式(9)中，可得到：2脉冲组合分析由式(10)可对电流型dpsm dcm buck变换器输出电压的分岔行为进行分 析。选择负载电阻r为分岔参数，变化范围为8.5q70q结果如图2(a)所示

6、。当r二rh时，变换器的运行轨迹与边界匕发生第一次边界碰撞分岔，控制 器发出的脉冲序列由单个ph脉冲组合变为ph和pl脉冲组合；随着负载电阻增 大，当r=rhl时，变换器的多周期轨断与边界v2发生碰撞分岔，同时与边界 w发生第一次碰撞分岔，变换器的运行轨迹出现了三种功率脉冲同时出现的现 象，控制器发出的脉冲序列为ph、pl和po脉冲组合；随着负载电阻r进一步 增大，当r二rl时，变换器的多周期轨道与边界w发生最后一次碰撞分岔，同 时与边界也发生碰撞分岔，控制器发岀的脉冲序列变成为pl和po脉冲组合。 为了清楚地观察分岔现象和脉冲组合方式，图2(b)给出了 r=15.56 q附近的局 部分岔图。

7、图2(a)中，分别以w、v?为边界，边界匕以下的离散点代表功率脉冲ph 作用下输出电压的运行轨迹，对于介于边界w、v2之间的离散点代表pl作用下 输岀电压的运行轨迹，边界w以上的离散点代表po作用下输出电压的运行轨迹。 当rvrh时，负载较重，电流型dpsm buck变换器只选择ph，变换器工作于 周期1态；当rhvrvrhl时，存在皿个ph和山个pl的离散点组合，则变换器 工作于多周期mh+ml态；当rhlvrvrl时，则由ph个ph、pl个pl和po个po 的离散点组成，变换器工作于多周期mh+ml+mo态；当rl<r时，由pl个pl和mo 个po的离散点组成，变换器工作于多周期pl

8、+po态。图2(b)中，r二15.56 q时, rhlvrvrl，变换器电路的序列脉冲由ph、pl和po组成，此时变换器工作在周 期4态，其组合方式为2ph-1pl-1poo由此可见，电流型dpsm buck变换器是 一种特殊的离散型动力学系统。实验验证为验证电流型dpsm控制器的可行性，利用它控制的buck变换器进行实 验验证，对其进行试验验证。利用psim仿真软件搭建电路模型，并且对电流型dpsm dcm buck变换 器进行实验研究。图3所示为电流型dpsm dcm buck变换器在口0, 70区间 内分别取r为x7 q、22.2 q和43 q吋v、i和vgs的吋域波形。图3(a)中r=

9、11.7 q 控制器输出的脉冲序列组合为2ph-1pl;图3(b)屮r二22.2q 脉冲序列组 合为1ph-2pl-1po;图3(c)中r=43 0,脉冲序列组合为2pl-1p0o图3中电感电流均处于dcmo图3(a)的输岀电压纹波约为70 mv;图3(b) 的输出电压纹波约为60 mv；图3(c)的输出电压纹波约为35 mv。实验结果与 用psim仿真软件搭建的电路仿真结果基本一致。结论本文提出了电流型dpsm控制技术，根据其工作原理，对其进行动力学建 模，得出了输出电压变化量与负载电阻之间的关系。采用psim电路仿真和实验 电路观察，证明了理论分析的准确性以及可行性。电流型dpsm dcm buck变换器的一个功率脉冲循环周期是由高、低功率 脉冲及跨周期脉冲的数量及其组合方式决定的。分析得知，当rvrhl时，控制 器为pt控制方式；当rhl