Buck型變換器的輸入電壓全補償前饋控制

摘要：為消除由輸入電源擾動引起的輸出電壓工頻紋波，改善DC/DC變換器動態(tài)性能，根據(jù)平均變量建模思想，為電壓型PWM控制的Buck型變換器，建立連續(xù)導電工作模式(CCM)下統(tǒng)一的平均變量等效電路，分析等效電路并根據(jù)不變性原理提出輸入電壓全補償前饋控制原理及實現(xiàn)方法。采用該方法的Buck型變換器可完全補償輸入電壓擾動，其輸出電壓對輸入電壓擾動具備動態(tài)不變性。仿真研究結(jié)果驗證了本文前饋控制原理及實現(xiàn)方法的正確性。

敘詞：平均變量 不變性原理 前饋控制 全補償 動態(tài)不變性

Abstract：To improve the dynamic performance of DC/DC converter against input voltage disturbance, and eliminate the low frequency ripple of output voltage, a uniform average equivalent circuit is established for buck series converters under voltage mode PWM control and in continuous conduction mode. According to the invariance principle and the equivalent circuit analysis, fully compensated input voltage feedforward control method and its implementation is presented. The buck series converter using this control method can fully compensate for the input voltage disturbance deviation, and achieve the dynamic invariance of output voltage against the input disturbance. Simulation results verify the correctness of the fully compensated input voltage feedforward control method and its implementation.

Keyword：Average variable, Invariance principle, Feedforward control, Full compensation, Dynamic invariance

1 前言

DC/DC變換器是構(gòu)建開關(guān)電源等許多其他類型電能變換器的核心組成部分。在DC/DC變換器電路中，傳統(tǒng)的電壓型PWM單環(huán)反饋控制系統(tǒng)的動態(tài)響應速度較慢，往往無法及時消除輸入電壓擾動對輸出電壓的影響。因此，在輸入電壓波動時，變換器輸出電壓幅值波動大，存在較大低頻紋波。為克服上述缺點，可引入提前按擾動進行補償?shù)那梆伩刂芠1-7]。

為消除輸入電源擾動對輸出電壓的影響，削弱甚至基本消除輸出電壓中包括工頻在內(nèi)的低頻紋波，改善開關(guān)變換器的動態(tài)性能，本文根據(jù)開關(guān)變換器的平均變量建模思想[8]，為電壓型PWM控制的Buck型變換器建立了連續(xù)導電工作模式(CCM)下統(tǒng)一的平均變量等效電路，進而分析等效電路，并根據(jù)前饋控制的不變性原理提出了輸入電壓全補償前饋控制原理及實現(xiàn)方法。采用該方法的Buck型變換器可完全補償輸入電壓擾動，實現(xiàn)輸出電壓對輸入電壓擾動的動態(tài)不變性。

2 Buck型變換器的平均變量等效電路

采用平均變量建模思想，用平均變量代替瞬時值變量，消除變換器中各變量的高頻開關(guān)紋波分量，建立開關(guān)變換器的平均變量等效電路。平均變量的定義如式(1)。式中Ts是開關(guān)周期，xs(t)是x (t)的平均變量。

(1)

采用PWM開關(guān)控制，輸出端為LC濾波電路的這一類DC/DC開關(guān)變換器，本文統(tǒng)稱為Buck型變換器。Buck型變換器在連續(xù)導電模式(CCM)下輸出的PWM電壓vD(t)及其平均變量vDs(t)的波形如圖1所示。vD(t)同時也是LC濾波電路的輸入電壓，而vDs(t)是vD(t)的平均變量。

圖1 PWM電壓vD(t)及平均變量vDs(t)

表1列出了常見Buck型變換器的常數(shù)m、n及Dmax的取值。Dmax指功率開關(guān)管的最大臨界工作占空比，0

表1中的N1、N2分別指隔離型Buck變換器中高頻變壓器的原副邊繞組匝數(shù)，N3則指磁復位繞組匝數(shù)。單端單管正激拓撲的Dmax隨其磁復位方式的不同而不同。表1中所列單管正激拓撲的Dmax對應繞組磁復位方式。

如圖1，在開關(guān)周期 這一時間尺度內(nèi)，變換器的輸入電壓vin(t)和占空比d(t)可視為恒定常數(shù)，故由式(1)求vD(t)的平均變量，得

vDs(t)=mvin(t) d(t)/n (2)

圖2為Buck型變換器在連續(xù)導電模式下的平均變量等效電路。圖中iL(t)、vo(t)分別是LC濾波電路在vDs(t)作用下的電感電流與輸出電壓。

圖2 Buck型變換器的平均變量等效電路

由圖2可見，Buck型變換器輸出電壓vo(t)完全由受控電壓源vDs(t)和電路初始狀態(tài)決定，而受控源vDs(t)又同時受輸入電壓vin(t)和占空比d(t)的控制。

Buck型變換器無輸入電壓前饋控制時，輸入電壓vin(t)與占空比d (t)之間相互獨立，vDs(t)隨輸入電壓vin(t)的變化而變化，輸入電壓vin(t)的擾動直接影響受控源vDs(t)的大小，進而影響變換器輸出電壓vo(t)。

表1 Buck型變換器常數(shù)列表

3 Buck型變換器的輸入電壓前饋控制原理

為了消除輸入電壓vin(t)的擾動對輸出電壓vo(t)的影響，根據(jù)前饋控制的不變性原理，引入獨立參考變量vr(t)，且令

vDs(t) =Kvr(t) (3)

式中K為常數(shù)。引入?yún)⒖甲兞縱r(t)后，原本相互獨立的變量d(t)與vin(t)將不再相互獨立，d(t)與vin(t)之間呈時變反比函數(shù)關(guān)系，以實現(xiàn)對輸入電壓擾動的完全補償。d(t)的調(diào)制函數(shù)為

(4)