基于變頻紋波控制的開關變換器及其穩(wěn)定性研究.pdf

1、開關變換器紋波控制是一種采用變換器的電壓紋波信號或電流紋波信號作為脈沖寬度調制(Pulse Width Modulation，PWM)斜坡的控制技術。相對于傳統(tǒng)電壓型控制，紋波控制具有瞬態(tài)響應速度快、控制電路簡單易設計等優(yōu)點。紋波控制可以實施為定頻紋波控制和變頻紋波控制。相對于定頻紋波控制，變頻紋波控制具有輕載效率高且穩(wěn)定性不受變換器占空比變化范圍的限制等優(yōu)點。因此，變頻紋波控制已廣泛應用于為微處理器等負載供電的電壓調節(jié)模塊(Volta

2、ge Regulator Modules，VRM)和負載點(Point Of Load，POL)變換器。然而，與定頻紋波控制類似，變頻紋波控制的穩(wěn)定性也受到一些電路參數(shù)的影響，如輸出電容及其等效串聯(lián)電阻(Equivalent Series Resistance，ESR)等。本論文將以變頻紋波控制開關變換器為研究對象，圍繞電路參數(shù)對變換器穩(wěn)定性和動力學行為的影響展開深入研究，從而為該類變換器的分析和設計提供理論依據(jù)。
　　(1)建立

3、了具有5種運行模式和4條模式切換邊界的固定關斷時間(Fixed Off-Time，F(xiàn)OT)控制Buck變換器異步開關離散時間模型。討論了隨輸出電容ESR減小FOT控制Buck變換器中存在的次諧波振蕩現(xiàn)象以及電感電流從連續(xù)導電模式(Continuous Conduction Mode，CCM)進入到斷續(xù)導電模式(Discontinuous Conduction Mode，DCM)的模式轉移現(xiàn)象。進一步，研究輸出電容ESR較小時負載電阻和電

4、感對變換器的穩(wěn)定性和動力學行為的影響，給出了FOT控制Buck變換器的近似穩(wěn)定條件及其歸一化表達式。理論分析和實驗結果表明，隨著輸出電容ESR的減小，F(xiàn)OT控制Buck變換器通過倍周期分岔和邊界碰撞分岔進入到DCM混沌狀態(tài)，且由輸出電容ESR較小導致的次諧波振蕩等不穩(wěn)定行為可以通過選擇合適的負載電阻、電感和電壓傳輸比來消除，研究結論有利于這類變換器電路參數(shù)的合理選取。
　　(2)通過采樣電感電流對輸出電壓進行電壓斜坡補償，實現(xiàn)了輸

5、出電容ESR較小時電壓型變頻紋波控制Buck變換器的穩(wěn)定工作。分析了斜坡補償?shù)淖饔脵C理，給出了確保FOT控制Buck變換器和固定導通時間(Constant On-Time，COT)控制Buck變換器穩(wěn)定工作時斜坡補償電壓斜率的臨界表達式。以斜坡補償FOT控制Buck變換器為例，建立了其異步開關離散時間模型，研究了斜坡補償電壓斜率作為分岔參數(shù)時斜坡補償FOT控制Buck變換器的動力學行為。研究結果表明，斜坡補償有效拓寬了變換器輸出電容ES

6、R的穩(wěn)定工作范圍。通過斜坡補償技術，輸出電容ESR較小時電壓型變頻紋波控制Buck變換器也能穩(wěn)定正常工作。
　　(3)針對電壓型變頻紋波控制技術的穩(wěn)定性依賴于輸出電容ESR，提出了開關變換器的電容電流變頻控制技術，并闡述了其工作原理。利用描述函數(shù)法，推導了電容電流COT控制Buck變換器和電容電流FOT控制Buck變換器的小信號模型，并通過Routh-Hurwitz判據(jù)研究了這類Buck變換器的穩(wěn)定性。研究結果表明，電容電流變頻控

7、制技術不僅保持了電壓型變頻紋波控制的快速負載瞬態(tài)響應速度，且其穩(wěn)定性不依賴于輸出電容ESR。
　　(4)當電壓外環(huán)開環(huán)或電壓紋波可以忽略時，電流型變頻紋波控制開關變換器不存在次諧波振蕩且始終工作在穩(wěn)定狀態(tài)。然而，當輸出電容較小或反饋增益較大時，比例-積分(Proportional Integral，PI)補償電流型變頻紋波控制Buck變換器中存在次諧波振蕩現(xiàn)象。以PI補償電流型COT控制Buck變換器為例，根據(jù)PI補償器的補償電容

8、電壓為電感電流和輸出電容電壓的線性組合，建立了其降階異步開關離散時間模型，研究了輸出電容和反饋增益對其穩(wěn)定性和動力學行為的影響，給出了其近似穩(wěn)定條件以及在不同參數(shù)空間的失穩(wěn)邊界。進一步，給出了PI補償電流型FOT控制Buck變換器的近似穩(wěn)定條件。結果表明，PI補償電流型變頻紋波控制Buck變換器的穩(wěn)定性主要與輸出電容、輸出電容ESR、反饋增益、電流采樣增益和固定導通時間有關。研究結果有助于電流型變頻紋波控制Buck變換器的分析和設計。<

9、br>　　(5)當輸出電容ESR較大時，PI補償電流型變頻紋波控制Boost變換器存在次諧波振蕩現(xiàn)象，這與PI補償電流型變頻紋波控制Buck變換器的情況截然相反。以PI補償電流型FOT控制Boost變換器為例，建立了其降階異步開關離散時間模型，研究了電壓外環(huán)反饋增益和輸出電容ESR對變換器穩(wěn)定性和動力學行為的影響，闡述了次諧波振蕩現(xiàn)象的形成機理，給出了其近似臨界穩(wěn)定條件。研究表明，當輸出電容ESR較小時，隨反饋增益的增大，PI補償電流型