峰值電流控制模式DC-DC BUCK變換器的斜坡補償研究

高鵬飛

（西安石油大學 電子工程學院，陜西 西安710065)

0 引 言

DC-DC功率變換器具有高效率、高功率密度及高可靠性等優勢，被廣泛應用于各領域[1]。DC-DC變換器的諸多控制方式中，最常用的控制方式有兩種：電壓控制和電流控制。其中，電流控制又分為平均電流控制、峰值電流控制及滯環電流控制。峰值電流控制具有改善開關調節系統瞬態特性、限制功率管最大電流值、改善開關調節系統穩定性、補償電路簡單及增益帶寬大等優點[2]。但由于電路引入了功率開關管等非線性的器件和反饋控制環節，影響了變換器的穩定性能，本文將以人工斜坡補償的方法來實現系統的穩定性控制[3]。

1 峰值電流型開關調節系統DC-DC BUCK變換器工作原理

圖1為峰值電流型開關調節系統DC-DC BUCK變換器的工作原理圖。

圖1 峰值電流型開關調節系統DC-DC BUCK變換器工作原理圖

由圖1可知，輸出電壓Vo經過采樣電路后與誤差比較器中設定的參考電壓Vref進行比較，比較后得到的信號經過補償網絡得到控制信號Vcp，Vcp再和采樣得到流過功率開關管的信號Vrs一起送至PWM比較器，從而產生使開關管Q1導通的驅動信號。

圖2 峰值電流型開關調節系統控制的基本原理

圖2為峰值電流型開關調節系統控制的基本原理圖。由圖2可知，在一個開關周期T的起始點，控制器輸出占空比D高電平（ton），使功率開關Q1管持續導通，流過開關管的電流線性增長，采樣電阻兩端的電壓Vrs也隨之增加，當采樣電阻兩端的電壓Vrs與電壓控制器的輸出電壓Vcp相等時，控制器輸出占空比D低電平（toff），功率開關管截止。

2 系統中的次諧波震蕩

圖3為峰值電流型DC-DC BUCK變換器工作在連續導電模式下電感電流擾動前后波形圖。

圖3 峰值電流型DC-DC BUCK變換器電感電流擾動波形

由圖3可知：

其中，m1為電感充電時的斜率，m2為電感放電時的斜率；Vi為輸入電壓，Vo為輸出電壓。公式（2）為：

由式（2）可知，當占空比D＞0.5時，如果以第n個周期為起點，給電感電流施加一個微擾動量δin，且δin＞0，則在該周期結束后，擾動被放大為αδin；在第（n+1）個周期開始時，擾動量為δin+1=αδin，這個周期結束后，擾動量變為α2δin＞0。由此可知：

隨著n的增加，如果擾動量最終下降為零，則系統穩定，即當D＞0.5時，α＞1，系統不穩定；當D＜0.5時，α＜1，系統穩定。

擾動量的變化頻率為開關頻率的一半，這就是次諧波震蕩，而且擾動量是不斷增加的，如果不采用適當措施，電路系統是不穩定的。

3 人工斜坡補償技術

引入峰值電流控制型的開關調節系統，當占空比D＞0.5時，電路系統中會產生次諧波震蕩現象，增加人工斜坡補償是抑制次諧波最直接有效的方法[4]。該方法是給控制量增加一個相同周期的負斜率的斜坡補償信號m，m＜0，（工程上一般取m=0.7m2）得到固定斜坡補償的電感電流工作曲線，如圖4所示。

圖4 峰值電流型DC-DC BUCK變換器固定斜坡補償電感電流波形

利用Matlab/Simulink進行仿真分析，驗證了人工斜坡補償理論的正確性和可行性[5]。由圖5和圖6可知，未加入斜坡補償信號前，占空比大小變換不均勻，BUCK電路進入了不穩定狀態；加入斜坡補償信號后，占空比均勻變換，BUCK電路系統達到穩定工作狀態。

圖5 無補償時占空比波形

圖6 斜坡補償后占空比波形

4 結 論

本文針對峰值電流型開關調節系統的占空比D大于0.5時存在的次諧波震蕩現象，以BUCK電路為例，通過理論分析和仿真驗證，證明了采用人工斜坡補償的方法，可使峰值電流型開關調節系統達到穩定工作狀態。