基于Buck型DC/DC變換器的移相脈寬調制策略

陳璐珈，夏益輝，孫力，葉志浩，黃靖

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基于Buck型DC/DC變換器的移相脈寬調制策略

陳璐珈1，夏益輝1，孫力2，葉志浩1，黃靖1

(1. 海軍工程大學 電氣工程學院，武漢 430033；2. 海軍92730部隊，三亞 572016)

Buck型DC/DC變換器采用傳統脈沖寬度調制時，輸出電壓諧波頻次比較豐富，對于一些對特殊頻次諧波比較敏感設備來講，這是極為不利的，為了消除或降低某些頻次諧波含量，提出一種移相脈寬調制策略。介紹了Buck型DC-DC變換器的基本結構，對比分析了傳統脈寬調制和移相脈寬調制策略對輸出電壓諧波分布的影響，并對兩種脈寬調制下輸出電壓和電感電流性能進行了仿真研究。仿真結果表明所提移相脈寬調制具有更小的輸出電壓紋波。

傳統脈沖寬度調制 移相脈寬調制 輸出電壓紋波 DC-DC變換器

0 引言

高功率密度高性能DC-DC變換器廣泛用于現代工業、家庭生活和國防等領域，隨著電力電子技術和控制水平的不斷提高，DC/DC變換器正朝著更高功率等級、更高電壓等級、更高效率和更高功率密度等方向發展[1,2]。

傳統的Buck電路具有電路簡單、易于控制和技術成熟等優點，廣泛用于DC-DC變換器中。文獻[3]提出一種自適應占空比跨周期控制方法，實驗結果表明該方法可以獲得更小的紋波系數和更強的系統穩定性與瞬態響應能力；文獻[4,5]提出采用固定關斷時間控制用于提高系統動態響應速度和輕載效率等；文獻[6]對固定關斷時間控制進行了改進，有效提高了系統穩定性；文獻[7,8]分析了脈沖頻率技術對DC/DC效率影響。

針對Buck型DC/DC變換器采用傳統脈沖調制策略時輸出電壓諧波含量豐富的問題，提出一種移相脈寬調制策略，以期可以根據負載運行特性，消除或降低某些頻次諧波的影響。首先，對buck型DC/DC變換器的基本拓撲結構進行了介紹；其次，對比分析與研究了傳統脈寬調制和移相脈寬調制對輸出電壓諧波分布的影響；最后，對理論分析進行了仿真驗證，仿真結果表明所提移相脈寬調制可以獲得更小的輸出電壓紋波。

1 Buck型DC/DC變換器拓撲結構

Buck型DC/DC變換器電路結構如圖1所示，主要包括功率管S1、二極管D1、濾波電感L和濾波電容C。其中，濾波電感用于濾除高頻諧波電流，濾波電容用于濾除高頻諧波電壓，二極管D1用于功率管S1斷開時續流。

圖1 Buck型DC/DC變換器電路結構

2 Buck型DC/DC變換器移相脈寬調制

2.1 Buck型DC/DC變換器傳統調制策略

Buck型DC/DC變換器基本工作原理為：當功率管S1導通時，電源向電容C充電和負載供電；當功率管S1關斷時，電容C向負載供電，同時電感中的電流經電容C和二極管D1續流。輸出電壓0為一個開關周期內的平均電壓。

圖2 功率管開關信號、電感電流和輸出電壓

圖2為傳統調制策略下功率管開關信號、電感電流i（電感電流連續模式進行研究）和輸出電壓0波形。圖中輸出電壓可由一個周期函數(ωt)來表示。

其中，

由此可知，輸出電壓中含有豐富的諧波含量。

2.2 Buck型DC/DC變換器移相調制策略

圖3為移相調制策略下功率管開關信號、電感電流i和輸出電壓0波形。圖中輸出電壓可由一個周期函數’(ωt)來表示。

其中，、與式(1)相同，為移相角度，0￡￡2π-。對輸出電壓0進行傅里葉分解可表示為：

2.3 移相脈寬調制對輸出電壓諧波特性的影響

從式(5)可知，當完全消除奇次諧波時，偶次諧波幅值達到最大；當完全消除偶次諧波時，奇數諧波幅值達到最大值，通過改變移相角可以靈活改變輸出電壓諧波特性。因此，根據負載運行特性，通過改變移相角可有效避免某些特殊頻率對負載運行特性的影響。

圖3 功率管開關信號、電感電流和輸出電壓

(a)傳統調制策略

表1 Buck型DC-DC變換器參數

3 仿真驗證

為了驗證所提移相脈寬調制用于Buck型DC-DC變換器是否可行，對其進行了仿真研究，仿真參數如表1所示。

圖4(a)、(b)分別為D=0.4時傳統調制和移相脈寬調制下輸出電壓和電感電流仿真波形，圖5(a)、(b)分別為D=0.6時傳統調制和移相脈寬調制下輸出電壓和電感電流仿真波形。由圖4和圖5可知，移相脈寬調制下輸出電壓紋波為0.29%(D=0.4)和1.9%(D=0.6)，低于傳統調制策略輸出電壓紋波系數2.9%(D=0.4)和2.6%(D=0.6)，移相脈寬調制和傳統調制策略作用下電感電流紋波系數基本接近，因此，采用移相脈寬調制可以獲得較好的輸出性能。

(a)傳統調制策略

4 結論

針對Buck型DC/DC傳統脈寬調制輸出電壓諧波含量較為豐富的問題，提出一種移相脈寬調制策略，對比研究了兩種調制策略下輸出電壓諧波分布情況，通過對理論進行推導和仿真結果進行分析，得出如下結論：

1）移相脈寬調制可以獲得更小的輸出電壓紋波系數；

2）移相脈寬調制與傳統脈寬調制下電感電流紋波系數基本相同。

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Shift Phase Pulse Width Modulation Based on Buck DC-DC Converter

Chen Lujia1, Xia Yihui1, Sun Li2, Ye Zhihao1, Huang Jing1

(1. College of Electric Engineering, Naval University of Engineering, Wuhan 430033, China; 2. Navy 92730 Sanya 572016, China)

TM46

A

1003-4862（2018）12-0053-04

2018-07-13

陳璐珈（1986-），本科，研究方向：電氣工程及其自動化。E-mail: 594780016@qq.com

夏益輝（1987-），男，講師，博士。研究方向為電力電子與電力傳動。E-mail: xiayihui2005@163.com