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0571杭州交友论坛:Boost变换器中右半平面零点的改善

时间: 2018-12-11阅读:

摘 要

工作在电流连续模式下的Boost变换器控制-输出传递函数中存在右半平面零点,系统带宽受到限制,穿越频率降低,也没有足够的相位裕度,从而影响系统稳定。根据右半平面零点的实质,本文从主电路结构和控制方法两个方面,研究消除右半平面零点或减轻其影响的方法,对优化DC-DC变换器性能有指导意义。

【关键词】Boost变换器 右半平面零点 穿越频率 相位裕度

1 右半平面零点的实质

由于在Boost变换器中,不存在实际的LC滤波结构。在开关管关断时间(Toff)内,只有储能电感向负载提供能量,而在开关管导通时间(Ton)内,输入电压只向电感储能,不向负载提供能量。电感电流连续时,Ton+Toff=Ts。如果负载电流增加,导通时间Ton会加长,则关断时间Toff减小。由于负载电流完全由Toff阶段的电流平均值提供,这样输出的平均电流会减小,负载电压会降低。因此,由于存在RHPZ,输出电压在负载电流增大时首先会下降,经过一定的时间才能恢复到稳定值。RHPZ在幅频曲线上贡献+20dB/dec的斜率,但在相頻坐标上为90°滞后。

2 改善右半平面零点的方法

2.1 拓扑结构改进

在主电路中增加元器件,使得在有源开关管导通的时间内,输入可以给负载提供能量。

2.1.1 增加耦合电感

增加耦合电感的新型Boost变换器结构具有如下特性:

(1)与传统Boost变换器的电压转换比相同:V0=Vg/(1-D);

(2)当开关S导通时,输入电压通过耦合电感向输出提供能量,所以可消除右半平面零点;

(3)电感L0使电流连续;

(4)MOSEFET的漏端接地;

具备以上4个特点的新型Boost变换器,是一个没有右半平面零点限制带宽的最小相位系统。如图1所示。

2.1.2 三态Boost变换器

当Boost变换器工作在DCM时,右半平面零点消除,若要求CCM下右半平面零点消失,则可以增加一个辅助功率管和一个二极管,使变换器在一个周期内具有类似DCM的三种状态,这种新型的消除Boost变换器RHPZ影响的结构称为三态Boost变换器。如图2所示。

在一个开关周期 内,三种工作状态:

(1)s导通,Sf关断,电容放电、电感电流上升阶段,此时占空比为D1。

(2)S关断,Sf关断,电容充电、电感电流下降阶段,此时占空比为D2。

(3)S关断,Sf导通,二极管Df续流阶段,此时占空比为D3。增加一个占空比控制量D3后,得到的三态变换器的传递函数中不存在右半平面零点。

2.2 控制方法的改进

改善变换器的拓扑结构是以增加主电路元件为代价,会引起一定的功率损耗。在电路设计中,我们经常选取基本拓扑结构,通过控制电路解决实际问题。

2.2.1 自适应电压定位控制

采用AVP控制技术的Boost变换器如图3所示。

采用自适应下拉电阻技术(Adaptive Droop Resistance Technique,ADR),通过调节下拉电阻值,以牺牲增益为代价,一方面实现AVP控制的输出阻抗恒定,另一方面解决RHPZ的影响。

2.2.2 改进型迟滞电流控制

改进的迟滞电流控制技术,增加一个误差放大器形成电压环路以提高稳压精度,如图4所示。

迟滞电流控制技术中的误差放大器包含一个自适应补偿控制模块,由自适应电阻RZ1和电容CC1组成。

2.2.3 固定占空比控制

固定占空比控制技术(SDC),同样能减轻Boost变换器右半平面零点的影响,增大带宽以实现快速响应。SDC技术主要由可变瞬态增强电路(VTE)和自适应迟滞窗口调制器(AHW)组成,当占空比变大时,右半平面零点向原点移动,输出电压存在暂降现象。因此,SDC方法的基本思想是:负载瞬态变化时,通过增大开关管的导通和关断时间,保持占空比恒定,减小下冲电压。

参考文献

[1]曹文思,杨育霞.基于状态空间平均法的BOOST变换器仿真分析[J].系统仿真学报,2007,19(06):1329-1334.

[2]王瑾,李攀,王进军等.电流模式PWM升压DC-DC变换器斜升波发生器的设计[J].微电子学,2007,30(17):167-169.

[3]Huang H H,Chen C L,Wu D R,et al. Solid-Duty-Control Technique for Alleviating the Right-Half-Plane Zero Effect in Continuous Conduction Mode Boost Converters[J].Power Electronics,IEEE Transactions on, 2012,27(01):354-361.

作者单位

安徽农业大学经济技术学院 安徽省合肥市 230000

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