電流型變換器工作原理和斜坡補(bǔ)償
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1引言
由于電流型控制較電壓型控制方法有許多優(yōu)點,所以得到了廣泛使用,這已是不爭的事實.但在恒頻峰值電流檢測控制方法中還存在如下問題:
——占空比大于50%時系統(tǒng)的開環(huán)不穩(wěn)定性;
——由于峰值電流而非平均電感電流的原因而產(chǎn)生的系統(tǒng)開環(huán)不穩(wěn)定性;
——次諧波振蕩;
——抗干擾能力差,特別當(dāng)電感中的紋波電流成分很小時,這種情況更為嚴(yán)重.
采用圖1所示的在電流波形上加斜坡補(bǔ)償?shù)姆椒?可使電流型控制法在占空比大于50%的情況下,使系統(tǒng)穩(wěn)定工作.實際上,只要電流型變換器采用了斜坡補(bǔ)償,它的性能能得到很大的改善.
2峰值電流型控制存在的問題
下面主要討論峰值電流型控制存在的問題及利用斜坡補(bǔ)償克服所存在問題的方法,并給出斜坡補(bǔ)償?shù)膶嵤┓桨?
2.1開環(huán)不穩(wěn)定性
在不考慮外環(huán)電壓環(huán)的情況下,當(dāng)恒頻電流型變換器的占空比大于50%時,就存在內(nèi)環(huán)電流環(huán)工作不穩(wěn)定的問題.然而有些變換器(如雙管正激變換器)它本身工作的脈沖占空比就不能大于50%,因此不存在問題.而有些變換器的脈沖占空比不大于50%時,它的輸入將會受到許多限制,如果在內(nèi)環(huán)加一個斜坡補(bǔ)償信號,則變換器可以在任何脈沖占空比情況下正常工作.下面介紹斜坡補(bǔ)償工作原理.
圖2表示了由誤差電壓Ve控制的電流型變換器的波形,通過一個攏動電流△I加至電感電流IL,當(dāng)占空比<0.5時,從圖2(a)所示可以看出這個攏動ΔI將隨時間的變化而減小;但當(dāng)占空比>0.5時,這個攏動將隨時間增加而增加,如圖2(b)所示.這可用數(shù)學(xué)表達(dá)式表示:
ΔI1=-ΔI0(m2/m1)(1)
進(jìn)一步可引入斜率為-m的斜坡信號,如圖2(c)所示.這個斜坡電壓既可加至電流波形上,也可以從誤差電壓中減去.有下列方程式成立:
ΔI1=-ΔI0(m2+m)/(m1+m)(2)

圖1采用斜坡補(bǔ)償?shù)腂UCK電流型控制

圖2電流型變換器的開環(huán)不穩(wěn)定性
(a)D<0.5(b)D>0.5(c)D>0.5并加斜坡補(bǔ)償

圖3沒有斜坡補(bǔ)償?shù)姆逯惦娏鳈z測與占空比關(guān)系圖

圖4斜坡補(bǔ)償m=-(1/2)m2時的平均電感電流將和占空
比D、輸入電壓無關(guān)
在100%占空比下求解這個方程有:
m>(-1/2)/m2(3)
為了保證電流環(huán)路穩(wěn)定工作,應(yīng)使斜坡補(bǔ)償信號的斜率大于電流波形下降斜率m2的1/2.對圖1所示的Buck型變換器,m2等于(VO/L)RS.所以補(bǔ)償波形的幅度A應(yīng)按下式計算:
A>TRS(VO/L)(4)
從而保證變換器的占空比大于50%時變換器能穩(wěn)定工作.
2.2次諧波振蕩
對電流型控制而言,內(nèi)環(huán)電流環(huán)峰值增益是個很重要的問題,這個峰值增益在開環(huán)頻率一半的地方,由于調(diào)制器的相移可能在電壓反饋環(huán)開關(guān)頻率一半的地方產(chǎn)生振蕩,這種不穩(wěn)定性叫做次諧波振蕩.
3峰值電流檢測與平均電流檢測
在電流型變換器中由平均電感電流產(chǎn)生一個誤差電壓,這個平均電感電流可用一個電流源來代替,并可以降低系統(tǒng)的一個階次.然而如圖3所示,峰值電流檢測方法常使電感的平均電流隨占空比而變,致使輸入一輸出(正向特性)不理想.如選用圖4所示m=-(1/2)m2的斜坡補(bǔ)償率,可以把峰值電流檢測轉(zhuǎn)變?yōu)槠骄娏鳈z測,而得到很好的電流型控制效果.但需注意m=-(1/2)m2,占空比接近1時的次諧波振蕩現(xiàn)象.
4小紋波電流
從性能的角度總希望紋波電流要小,首先它可以使輸出濾波電容的容量減小,并在輕載時的電流連續(xù)工作模式下輸出紋波小.雖然對電流檢測電路的小斜坡補(bǔ)償量,在許多情況下可以得到小的紋波電流,但將由于隨機(jī)和同步噪聲信號的引入而致使脈沖寬度擺動.并且斜坡補(bǔ)償加到電流波形上將會產(chǎn)生一個更穩(wěn)定的開關(guān)點,為達(dá)到這個目的,相對于電感電流這個補(bǔ)償量m應(yīng)大于m2,并且這對次諧波穩(wěn)定是有必要的.但任何斜坡補(bǔ)償大于m=-(1/2)m2將使變換器的特性偏離理想電流型變換器而更像一個電壓型變換器.
5UC1846的斜坡補(bǔ)償
UC1846是一種采用斜坡補(bǔ)償?shù)碾娏餍图煽刂菩酒?它具有恒頻PWM電流型控制所需的控制電路和相關(guān)電路.圖5(a)和圖5(b)表示采用UC1846實施斜坡補(bǔ)償?shù)膬煞N電路原理圖.在第4腳的電流檢測信號和斜坡補(bǔ)償信號直接相加很容易實現(xiàn),但這又在電流檢測電路中引入了誤差.另一種方法就是把這個斜坡補(bǔ)償加至誤差放大器的反相輸入端,采用這種方法的前提條件是:
  
圖5UC1846采用不同斜坡補(bǔ)償方法的電路原理圖
(a)斜坡補(bǔ)償信號和電流檢測信號相加
(b)斜坡補(bǔ)償信號直接和誤差信號相加
——開關(guān)頻率固定(這種情況下R1/R2固定),并且誤差放大器增益固定;
——計算所需斜坡補(bǔ)償量時要把電壓誤差放大器,電流誤差放大器的增益都考慮進(jìn)去.在任何一種情況下,一旦R2的值確定后,負(fù)載對CT的影響也可以確定.
6結(jié)論
本文主要討論了電流型變換器的斜坡補(bǔ)償原理及實現(xiàn)方法、電路.由于雙環(huán)電流型變換器性能好,輸出性能可以和線性穩(wěn)壓器相比,并可用于系統(tǒng)并聯(lián)均流,所以得到了廣泛應(yīng)用.本文對如何正確實現(xiàn)斜坡補(bǔ)償有一定實際意義.