电流型双脉冲跨周期调制Buck变换器研究

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1、电流型双脉冲跨周期调制Buck变换器研究传统的开关DC-DC变换器一般采用脉冲宽度调制(PulseWidthModulation,PWM)技术实现对开关DC-DC变换器的闭环控制。PWM作为一-种线性定频变脉宽调制技术，通过采用调整控制脉冲的占空比技术实现对开关变换器输出电压的控制。目前，PWM调制技术发展相对成熟，在电力电子工业界得到了广泛应用。随着对电源系统性能的要求不断提高，以线性理论为基础的PWM调制技术在鲁棒性、瞬态响应等方面始终难以令人满意。非线性控制方法的引入有效地改善了系统的动态特性，解决了上述线性控制技术中存在的

2、问题，此控制技术已得到国内外研究人员的关注。脉冲跨周期调制(PulseSkippingModulation,PSM)技术作为一种汕线性控制技术，它自提岀以来在工业界得到了广泛应用。相比PWM技术，PSM技术具有电路设计简单，瞬态响应速度快以及轻载时工作效率高等优点。文献［笛］提出了DPSM技术，这种技术结合了PSM技术和脉冲序列(PulseTrain,PT)技术。其工作原理是根据开关电源输出电压与基准电压的关系來确定脉冲序列控制器对功率脉冲的选择，最终保证输岀电压达到稳定状态。然而，文献中提出的电压型DPSMBuck变换器为单一电

3、压环控制，该技术在电路启动时易产生电流过冲现象，必须加入软启动电路和过流保护电路对电路进行保护，因而增加了电路设计的复杂度。针对上述问题，本文提岀了一种电流型DPSM技术，该技术成功地消除了电路启动时的电流过冲现彖，同时还保持了电压型DPSM技术所有的优点。电流型DPSM技术是一种具有独特控制方式的简单的开关DC-DC变换器控制方法，目前还未见相关的理论分析以及动力学建模的硏究报道。木文主要以Buck变换器为例，首先阐述电流型DPSM技术的基本工作原理，推导输出电压变化量与负载电阻Z间的关系；其次对工作于DCM的DPSMBuck变

4、换器进行动力学建模与以负载电阻为变量的分岔分析；最后通过PSIM仿真结果分析和实验电路制作验证电流型DPSM技术理论分析的正确性。动力学建模与脉冲组合规律1Buck变换器的动力学分析图1为工作于DCM的电流型DPSMBuck变换益的工作波形。在一个开关周期内,Buck变换器具有三种不同的开关状态。这三种不同开关状态的时间区间内，高功率脉冲、低功率脉冲和跨周期脉冲的持续时间分别定义为巾、丁IH和丁2H"0L、6l和丁汕以及丁00、才0和丁D,则有:丁Q,">I】Tj=Ty,VMD>V2,j=H丄，0(1)假设in和Vn>in+1和

5、Vn+1分别是电感电流i(t)和输岀电容电压即输岀电压V(t)在时钟nT、(n+1)T时刻的采样值。根据一个开关周期内三种不同的电路拓扑结构，可得到不同状态时的时域解。开关状态I：开关管S导通，续流二极管D关断。电路状态方程表示为Ldi/dt二v+E、Cdv/dt=i-v/R,时域解为:式(8)所描述的离散吋间映射模型是二维离散动力学系统模型。由于电流型DPSMDCMBuck变换器在每个开关周期初始和结束时刻恒为零，因此式(8)所描述的模型可以降为一维离散时间映射模型，即有：将电感电流Ih、Il代入式(9)中，可得到：2脉冲组合分

6、析由式(10)可对电流型DPSMDCMBuck变换器输出电压的分岔行为进行分析。选择负载电阻R为分岔参数，变化范围为8.5Q~70Q结果如图2(a)所示。当R二Rh时，变换器的运行轨迹与边界匕发生第一次边界碰撞分岔，控制器发出的脉冲序列由单个Ph脉冲组合变为Ph和Pl脉冲组合；随着负载电阻增大，当R=Rhl时，变换器的多周期轨断与边界V2发生碰撞分岔，同时与边界W发生第一次碰撞分岔，变换器的运行轨迹出现了三种功率脉冲同时出现的现象，控制器发出的脉冲序列为Ph、Pl和Po脉冲组合；随着负载电阻R进一步增大，当R二Rl时，变换器的多周

7、期轨道与边界W发生最后一次碰撞分岔，同时与边界也发生碰撞分岔，控制器发岀的脉冲序列变成为Pl和Po脉冲组合。为了清楚地观察分岔现象和脉冲组合方式，图2(b)给出了R=15.56Q附近的局部分岔图。图2(a)中，分别以W、V?为边界，边界匕以下的离散点代表功率脉冲Ph作用下输出电压的运行轨迹，对于介于边界W、V2之间的离散点代表Pl作用下输岀电压的运行轨迹，边界W以上的离散点代表Po作用下输出电压的运行轨迹。当RvRh时，负载较重，电流型DPSMBuck变换器只选择Ph，变换器工作于周期1态；当RhvRvRhl时，存在皿个Ph和山个

8、Pl的离散点组合，则变换器工作于多周期Mh+Ml态；当RhlvRvRl时，则由Ph个Ph、Pl个Pl和Po个Po的离散点组成，变换器工作于多周期Mh+Ml+Mo态；当Rl