基于PWM控制的開關電源技術研究

【摘要】本文提出一種 PWM 模式的升壓型開關電源電路。利用狀態空間平均建模的方法對Boost電路進行詳細的數學建模，在MATLAB軟件平臺對采用狀態空間平均法的Boost模型和Boost電路的實際模型進行仿真，并對仿真結果進行了比較，仿真結果表明PWM控制的Boost電路具有更優越的控制效果。

【關鍵詞】PWM控制模式；狀態空間平均法；boost電路

一、引言

隨著電力電子技術的長足發展，電子技術的應用領域越來越廣泛，與此同時電源技術的發展也有很大進步，電源是對公用電網或某種電能進行變換和控制的供電設備，能夠向各種用電設備提供優質電能。電源在電子電路中起著舉足輕重的作用，它是整個系統的心臟部位，其性能的優劣直接影響到整個系統的可靠性和安全性。電源可分為傳統線性電源和開關電源，對傳統線性穩壓電源存在效率低、損耗大、體積大、調整范圍小以及工作穩定高等一系列問題，人們研制出開關穩壓電源，使得電源管理芯片進入到一個嶄新的時代。開關電源自產生以來，已經逐步代替傳統的線性電源而得到廣泛的應用。開關電源又稱作開關型直流穩壓電源，其效率可達85%以上，體積小、重量輕，非常適用于各種便攜式電子設備中，其次開關電源還有功耗低、效率高、發熱量小、系統穩定性好的優點。開關電源按照電源的類型可以分為AC/AC電源、DC/DC電源、AC/DC電源和DC/AC電源。其中DC/DC型開關電源現已實現模塊化，它的功率調整器件工作在截止區飽和導通區，起到一個開關的作用。目前DC-DC開關電源的需求也越來越大，其性能要求也越來越高。PWM控制技術是以沖量相等而形狀不同的窄脈沖代替正弦波，按照一定的采樣規則對各個脈沖進行調制，從而的得到開關管所需的觸發脈沖，以此改變電路輸出電壓大小和輸出頻率。隨著PWM技術、微電子技術以及自動控制技術的發展，PWM控制技術獲得空前的發展，相應的PWM控制技術的改進在開關電源的應用方法具有十分重要的現實意思。與傳統開關電源相比，PWM控制的開關電源具有提高功率因素和抑制諧波能力的優點。由于開關電源本質上是一個離散的、非線性系統，所以要建立統一的傳函在實現上很困難。本文在深入分析PWM控制的開關電源的基本原理的基礎上，在理想條件下，運用狀態空間平均法建立Boost電路的數學模型，并利用MATLAB軟件對模型進行仿真，并將仿真結果與實際PWM控制的DC/DC模式的輸出波形進行對比分析，結果表明基于PWM控制的DC/DC開關電源具有更好性能，這對于提高控制系統的性能具有現實意義和研究價值。

二、開關電源工作原理

開關電源以半導體器件作為開關器件，通過控制開關管開通和關斷占空比，來保證輸出電壓穩定的電源。利用功率開關管和儲能元件共同實現開關管開通和關斷時刻，能量的轉換即：在開關管開頭時間里，電感從輸入電壓源獲取能量，并以電磁能的形式儲存起來；在開關管關斷時間里，電感釋放所獲取的能量并提供外部電路使用。開關電源主要由四個主體部分組成：輸入回路、功率變換電路、輸出回路和控制電路典型的開關電源原理結構圖如圖1所示。開關電源的工作原理可以分為如下幾分：1、交流輸入電源經過輸入回來進行經濾波、整流得到較為平滑的直流電壓；2、經過輸入回路處理過的直流高電壓再通過功率變換電路變換為高頻脈沖電壓，然后將此方波電壓經輸出回路二次整流濾波變為所需要的直流電壓并輸出；3、高頻脈沖電壓通過輸出回路逆變濾波為穩定的直流輸出電壓；4、采樣電路對輸出電壓進行檢測和采樣，經過控制電路對功率開關管的觸發脈沖進行調制，從而調整開關管的開通時間，以穩定輸出交流電壓。開關電源功率開關器件處于開關工作狀態，其導通時的管壓降非常小，可以近似不消耗能量，其關斷時漏電流很小，也近似為不消耗能量，所以開關電源的功率轉換效率非常高。

圖1 開關電源原理結構圖

三、開關電源拓撲結構

DC/DC型開關電源拓撲結構有降壓型（Buck）、升壓型（Boost）以及降壓-升壓型（Buck-Boost）型，其拓撲結構圖如圖2所示：圖2（a）為BUCK型電路。可以通過調整PWM占空比的大小，來獲得任意大于輸入電壓的輸出電壓。圖2（b）為Boost電路可以得到任意小于輸入電壓的輸出電壓。圖2（c）為Buck—Boost電路，此電路可以獲得大于或小于輸入電壓的輸出電壓。

（a）降壓型（Buck） （b）降壓型升壓型（Boost）

（c）降壓-升壓型（Buck-Boost）

圖2 DC/DC型開關電源拓撲結構

四、PWM調制模式

開關電源調制方式主要有四種調制方式包括：脈沖寬度調制（PWM）、脈沖頻率調制（PFM）、脈沖周期調制（PSM）和混合調制方式。其中脈沖寬度調制（PWM）是開關電源中最為常用的控制方式，也是易于控制的一種方式，因為其開關頻率固定，通過改變脈沖寬度來調節占空比，從而實現對開關管通斷的控制，以達到輸出電壓的控制。PWM的工作原理：是在輸入電壓、內部參數及外部負載變化時，將基準信號與控制信號的差值進行閉環控制，來調節主電路開關管的導通脈沖寬度，來使開關電源的輸出電壓穩定。開關電源PWM控制電路根據不同的反饋形式及不同的反饋取樣信號，可以分為電壓控制模式和電流控制模式兩種。

（一）電壓型PWM控制。電壓PWM控制將輸出電壓反饋與給定值進行比較輸出PWM開關管開通觸發信號，進而控制輸出電壓的控制模式，其電路原理圖如圖3所示。

圖3 電壓型PWM控制

電壓型PWM控制電路是一種單環控制系統，包含一個電壓反饋電路。采樣電路從輸出電壓采取電壓反饋信號，并且對其進行處理以改變開關關占空比，從而實現輸出電壓的穩定。通過規則采樣法或自然采樣法對輸出電壓Vout進行采樣，Vout經分壓后送入誤差放大器的反相輸入端，與參考電壓Vref進行差值放大，得到誤差輸出電壓Ve，誤差輸出電壓Ve和載波信號經過PWM比較器進行比較，得到一系列脈沖控制信號。當鋸齒波信號高于Ve=大于載波信號時時，脈沖輸出信號為高電平，反之為低電平，進而控制了電源的輸出。電壓型PWM控制模型工作波形如圖4所示。

圖4 電壓控制模式工作波形

電壓控制模式的優點是抗噪聲能力強，對于多路輸出電源之間的交互調節效應較好，占空比調節不受限制，對輸出負載變化有較快的響應速度。它的缺點是只有電壓反饋回路沒有電流環，對于穩壓電源來說，要不斷地調節輸入電流，以滿足輸出電流的變化和負載變化以穩定輸出電壓。

（二）電壓型PWM控制。為了彌補電壓型PWM控制模式的不足，產生了電流型PWM控制模式。電流型控制模式是采用電壓、電流雙閉環控制系統，在電壓控制模式基礎上加入電流內環控制。電流反饋信號取自輸出電流，其電路原理圖如圖5所示。

圖5 電流型PWM控制模式

電流型PWM是一種雙閉環控制系統控制電路包含了一個電壓反饋環路和電流反饋環路。在電流控制模式中，輸出反饋電壓Vfb與基準電壓的差值經過比例積分調節器調節后得到輸出電壓基準值Ve，與反饋輸入電壓Vs進行PWM調制。當Vs值大于Ve時，PWM比較器翻轉，以此調節開關管驅動脈沖的占空比，從而實現輸出電壓的穩定，電流PWM模式工作波形如圖6所示： 電流控制模式有效解決了系統響應速度慢及電壓模式控制產生的負載調整補償問題。電流控制模式對輸入電壓變化起前饋控制作用，即在輸入電壓變化還未導致輸出電壓改變時，電流內環就起到調節作用。電流內環具有快速的響應時間，它相對于電壓外環是起到一個受控放大器的作用。由于整個系統有響應速度快和穩定性高的特點，所以反饋回路的增益比一般PWM系統高很多。電流型PWM控制模型具有一定的優點：PWM具有良好的開環線形調整；由于采用單極點控制，因而具有良好的小信號穩定性能，對負載調整具有較好的補償作用且具有優異的動態響應特性。同時也具有一定的缺點：出現次諧波不穩定狀況時，需要有斜坡補償；負載調整差；噪聲抑制差；峰值電流與平均電流有很大的誤差。

五、理想Boost開關電源數學模型的建立

在理想條件下，當電感L的電流i（t）連續時，Boost電路的一個開關周期可以分為兩個階段。如圖7所示。設Boost變換器的輸入電壓為vg（t），輸入電流為ig（t），電感電流為vg（t），電感電壓為vl（t），電感的電流i（t），為電容電壓為v（t），電容電流為ic（t）。取狀態變量為 ，輸入變量為，輸出變量為。

（a）階段1等效電路 （b）階段2等效電路

圖7 Boost變換器一個開關周期的兩個工作狀態

在階段1時，即，s1導通，電感處于充磁階段，等效電路如圖7（a）所示；在階段2時，即，s1截止，電感處于放磁階段，等效電路如圖7（b）所示。

在時間段，描述電路瞬時狀態的方程為：

時間段，描述電路瞬時狀態的方程為：

設開關周期平均算子

代入公式得：

因為

令

則

代入公式得

Boost電路的小信號方程表示為：

六、仿真及結果分析

（一）狀態空間平均法仿真。利用MATLAB對理想狀態條件下Boost開關電源采用狀態空間平均法得到的數學模型進行仿真驗證，其模型如圖8所示。設置電路參數為：

（二）Boost開關電源實際電路仿真。Boost開關電源PWM控制的實際電路模型如圖9所示：

（三）仿真結果及分析。理想條件下，設Boost變換器的電路參數如下：Vg=200V，Vd=0.8V Ron=0.1ohm，R=10ohm，C=2000uF，L=10mH。仿真結果如圖10所示。

由圖10（b）（c）可以看出，輸出電壓均為400V是輸入電壓的2倍并且0.1s內能夠穩定在穩定值內，說明PWM控制技術具有良好的控制效果。另外，在理想條件下對Boost變換器建立的狀態空間平均模型仿真得到的波形與Boost變換器的實際電路的波形雖有一定的誤差，但基本一致。由圖10（a）（b）可以看出，在理想條件下建立的Boost變換器的狀態空間平均模型雖然能在一定程度上描述Boost變換器的輸出特性，但與實際電路的輸出特性有較大誤差。由上述分析可以得出：采用狀態空間平均法建立的Boost變換器的非理想模型相對于理想模型誤差更小、更接近于實際的Boost變換器。非理想狀態空間平均模型可以用于計算開關變換器開關部分功率損耗，從而得出開關變換器轉換效率。器件的非理想是大電流開關變換器效率下降的主要原因，特別是對于大電流開關變換器，建模分析時應使用非理想模型，避免使用理想模型從而導致嚴重誤差。

七、總結

本文介紹了開關電源的基本工作原理以及PWM調制方式，在此基礎上設計了一種PWM模式的升壓型DC/DC轉換升壓控制電路。利用狀態空間平均建模的方法對Boost電路進行詳細的數學建模，利用MATLAB對狀態空間平均模型和Boost變換器的實際模型進行仿真，并對仿真結果進行了比較，仿真結果表明PWM控制的Boost電路具有更優越的控制效果。同時也驗證了狀態空間平均法所建立模型的正確性與合理性。同時證明了狀態空間平均法在電力電子系統分析中的重要作用，該方法是解決實際問題的一種重要工具。

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作者簡介

姓名：徐頌，性別：男，民族：漢，出生年月日：75-12-30：籍貫：浙江海鹽，學歷： 大學本科，研究方向：通信電子機械制造，職稱：中級工程師，職務：技術總監。