Boost變換器中右半平面零點(diǎn)的改善

陳琳+汪匯+陽(yáng)淡雅+王輝+閆躍躍

摘 要

工作在電流連續(xù)模式下的Boost變換器控制-輸出傳遞函數(shù)中存在右半平面零點(diǎn)，系統(tǒng)帶寬受到限制，穿越頻率降低，也沒(méi)有足夠的相位裕度，從而影響系統(tǒng)穩(wěn)定。根據(jù)右半平面零點(diǎn)的實(shí)質(zhì)，本文從主電路結(jié)構(gòu)和控制方法兩個(gè)方面，研究消除右半平面零點(diǎn)或減輕其影響的方法，對(duì)優(yōu)化DC-DC變換器性能有指導(dǎo)意義。

【關(guān)鍵詞】Boost變換器 右半平面零點(diǎn) 穿越頻率 相位裕度

1 右半平面零點(diǎn)的實(shí)質(zhì)

由于在Boost變換器中，不存在實(shí)際的LC濾波結(jié)構(gòu)。在開(kāi)關(guān)管關(guān)斷時(shí)間（Toff）內(nèi)，只有儲(chǔ)能電感向負(fù)載提供能量，而在開(kāi)關(guān)管導(dǎo)通時(shí)間（Ton）內(nèi)，輸入電壓只向電感儲(chǔ)能，不向負(fù)載提供能量。電感電流連續(xù)時(shí)，Ton+Toff=Ts。如果負(fù)載電流增加，導(dǎo)通時(shí)間Ton會(huì)加長(zhǎng)，則關(guān)斷時(shí)間Toff減小。由于負(fù)載電流完全由Toff階段的電流平均值提供，這樣輸出的平均電流會(huì)減小，負(fù)載電壓會(huì)降低。因此，由于存在RHPZ，輸出電壓在負(fù)載電流增大時(shí)首先會(huì)下降，經(jīng)過(guò)一定的時(shí)間才能恢復(fù)到穩(wěn)定值。RHPZ在幅頻曲線上貢獻(xiàn)+20dB/dec的斜率，但在相頻坐標(biāo)上為90°滯后。

2 改善右半平面零點(diǎn)的方法

2.1 拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)改進(jìn)

在主電路中增加元器件，使得在有源開(kāi)關(guān)管導(dǎo)通的時(shí)間內(nèi)，輸入可以給負(fù)載提供能量。

2.1.1 增加耦合電感

增加耦合電感的新型Boost變換器結(jié)構(gòu)具有如下特性：

（1）與傳統(tǒng)Boost變換器的電壓轉(zhuǎn)換比相同：V0=Vg/（1-D）；

（2）當(dāng)開(kāi)關(guān)S導(dǎo)通時(shí)，輸入電壓通過(guò)耦合電感向輸出提供能量，所以可消除右半平面零點(diǎn)；

（3）電感L0使電流連續(xù)；

（4）MOSEFET的漏端接地；

具備以上4個(gè)特點(diǎn)的新型Boost變換器，是一個(gè)沒(méi)有右半平面零點(diǎn)限制帶寬的最小相位系統(tǒng)。如圖1所示。

2.1.2 三態(tài)Boost變換器

當(dāng)Boost變換器工作在DCM時(shí)，右半平面零點(diǎn)消除，若要求CCM下右半平面零點(diǎn)消失，則可以增加一個(gè)輔助功率管和一個(gè)二極管，使變換器在一個(gè)周期內(nèi)具有類似DCM的三種狀態(tài)，這種新型的消除Boost變換器RHPZ影響的結(jié)構(gòu)稱為三態(tài)Boost變換器。如圖2所示。

在一個(gè)開(kāi)關(guān)周期 內(nèi)，三種工作狀態(tài)：

（1）s導(dǎo)通，Sf關(guān)斷，電容放電、電感電流上升階段，此時(shí)占空比為D1。

（2）S關(guān)斷，Sf關(guān)斷，電容充電、電感電流下降階段，此時(shí)占空比為D2。

（3）S關(guān)斷，Sf導(dǎo)通，二極管Df續(xù)流階段，此時(shí)占空比為D3。增加一個(gè)占空比控制量D3后，得到的三態(tài)變換器的傳遞函數(shù)中不存在右半平面零點(diǎn)。

2.2 控制方法的改進(jìn)

改善變換器的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)是以增加主電路元件為代價(jià)，會(huì)引起一定的功率損耗。在電路設(shè)計(jì)中，我們經(jīng)常選取基本拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，通過(guò)控制電路解決實(shí)際問(wèn)題。

2.2.1 自適應(yīng)電壓定位控制

采用AVP控制技術(shù)的Boost變換器如圖3所示。

采用自適應(yīng)下拉電阻技術(shù)（Adaptive Droop Resistance Technique，ADR），通過(guò)調(diào)節(jié)下拉電阻值，以犧牲增益為代價(jià)，一方面實(shí)現(xiàn)AVP控制的輸出阻抗恒定，另一方面解決RHPZ的影響。

2.2.2 改進(jìn)型遲滯電流控制

改進(jìn)的遲滯電流控制技術(shù)，增加一個(gè)誤差放大器形成電壓環(huán)路以提高穩(wěn)壓精度，如圖4所示。

遲滯電流控制技術(shù)中的誤差放大器包含一個(gè)自適應(yīng)補(bǔ)償控制模塊，由自適應(yīng)電阻RZ1和電容CC1組成。

2.2.3 固定占空比控制

固定占空比控制技術(shù)（SDC），同樣能減輕Boost變換器右半平面零點(diǎn)的影響，增大帶寬以實(shí)現(xiàn)快速響應(yīng)。SDC技術(shù)主要由可變瞬態(tài)增強(qiáng)電路（VTE）和自適應(yīng)遲滯窗口調(diào)制器（AHW）組成，當(dāng)占空比變大時(shí)，右半平面零點(diǎn)向原點(diǎn)移動(dòng)，輸出電壓存在暫降現(xiàn)象。因此，SDC方法的基本思想是：負(fù)載瞬態(tài)變化時(shí)，通過(guò)增大開(kāi)關(guān)管的導(dǎo)通和關(guān)斷時(shí)間，保持占空比恒定，減小下沖電壓。

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作者單位

安徽農(nóng)業(yè)大學(xué)經(jīng)濟(jì)技術(shù)學(xué)院 安徽省合肥市 230000endprint