具有快速动态响应的PCCM二次型Boost变换器

2016-03-11舒立三许建平

电源技术 2016年4期

关键词：响应速度补偿器传递函数

舒立三，许建平，张斐，董政

(西南交通大学电气工程学院磁浮技术与磁浮列车教育部重点实验室，四川成都610031)

具有快速动态响应的PCCM二次型Boost变换器

舒立三，许建平，张斐，董政

(西南交通大学电气工程学院磁浮技术与磁浮列车教育部重点实验室，四川成都610031)

工作于电感电流连续导电模式(CCM)的二次型Boost变换器，其控制-输出小信号传递函数含有三个右半平面(RHP)零点和两个谐振峰值点，增加了控制环路补偿器的设计难度。提出了固定中间电感放电时间的伪连续导电模式(PCCM)二次型Boost变换器及其控制策略，其输入电感工作于CCM模式、中间电感工作于固定放电时间PCCM模式，消除了控制-输出小信号传递函数的两个RHP零点，在降低控制环路补偿器设计难度的同时，提高了动态响应速度，最后通过实验验证了理论分析的正确性。

固定放电时间；二次型Boost变换器；PCCM；快速动态响应

近年来，燃料电池发电系统对开关DC-DC变换器的输入电压范围提出了越来越高的要求[1]。二次型DC-DC变换器仅使用一个开关管实现了与占空比成平方关系的直流电压传输比，拓宽了开关DC-DC变换器输入电压的变化范围，得到了广泛关注[2]。

工作于电感电流连续导电模式(CCM)的二次型Boost变换器，其控制-输出传递函数含有三个右半平面(RHP)零点和两个谐振峰值点，增加了控制环路补偿器的设计难度，并影响变换器的动态响应速度。为了减少二次型Boost变换器RHP零点，提高变换器的动态响应速度，本文提出了输入电感工作于CCM模式，中间电感电流在一个开关周期内存在充电、放电和续流三个状态且放电时间固定的伪连续导电模式(PCCM)二次型Boost变换器。通过对中间电感续流并固定其放电时间，消除了控制-输出小信号传递函数的两个RHP零点，在降低控制环路补偿器设计难度的同时，提高了变换器的动态响应速度，最后通过实验验证了理论分析的正确性。

1 PCCM二次型Boost变换器拓扑

图1 二次型Boost变换器

图2 PCCM二次型Boost变换器

在一个开关周期内，PCCM二次型Boost变换器存在如图3所示三个工作模态，其主要波形如图4所示。

图4 PCCM二次型Boost变换器主要波形

根据图4可知：

2 PCCM二次型Boost变换器

2.1 控制策略

PCCM二次型Boost变换器的控制原理框图如图5所示。输出采样电压(为输出电压采样系数)与参考电压比较，通过PI补偿器A(s)得到电压误差信号，电压误差信号与三角载波比较，得到开关管的控制脉冲；将开关管的控制脉冲反向，叠加固定死区时间，得到开关管的控制脉冲。

图5 PCCM二次型Boost变换器原理图

由式(5)整理可得：

2.2 小信号分析

PCCM变换器的小信号建模方法与断续导电模式变换器一样[4]。对于PCCM二次型Boost变换器，定义状态变量、输入量()、输出量根据状态空间平均等效[5]和式(9)可得PCCM二次型Boost变换器控制-输出小信号传递函数：

为了对比PCCM二次型Boost变换器和二次型Boost变换器的频域特性，根据式(10)和文献[3]给出的二次型Boost变换器控制-输出小信号传递函数，可得如图6所示PCCM二次型Boost变换器和二次型Boost变换器波特图。由文献[3]可知二次型Boost变换器含有三个RHP零点，根据额定功率下的实验参数计算出其RHP零点为287±j 3 217和99 408，且由图6(a)可知，二次Boost变换器有两个很高的谐振峰值点，增加了控制环路补偿器的设计难度；由图6(b)可知，PCCM二次型Boost变换器没有谐振峰值点，由额定功率下的实验参数计算出其RHP零点为2 245，与二次型Boost变换器相比减少了两个RHP零点，且其相频特性曲线下降速度较二次型Boost变换器缓慢。因此，PCCM二次型Boost变换器既可降低控制环路补偿器的设计难度[3]，又能提高变换器的动态响应速度。

图6 控制-输出小信号传递函数波特图

3 实验验证

为验证理论分析的正确性，设计了电压型控制二次型Boost变换器和PCCM二次型Boost变换器，其主要参数为：，额定负载功率=10 W。图7为额定负载功率下，二次型Boost变换器和PCCM二次型Boost变换器的稳态波形。由图7(a)可知，二次型Boost的两个电感均工作于CCM模式；由图7(b)可知PCCM二次型Boost变换器的输入电感工作于CCM模式，中间电感工作于PCCM模式且固定放电时间为5 μs。

图7 额定负载功率下的稳态波形

图8和图9分别为二次型Boost变换器和PCCM二次型Boost变换器的负载功率从10 W跳变到5 W时和负载功率从5 W跳变到10 W时的实验波形。由图8可知，在减载过程中，二次型Boost变换器输出电压的调整时间、超调量分别为5.4 ms、270 mV；PCCM二次型Boost变换器输出电压的调整时间、超调量分别为400 μs、60 mV。由图9可知，在加载过程中，二次型Boost变换器输出电压的调整时间、超调量分别为5 ms、260 mV；PCCM二次型Boost变换器输出电压的调整时间、超调量分别为320 μs、40 mV。在加载和减载过程中，PCCM二次型Boost变换器输出电压的调整时间、超调量分别比二次型Boost变换器减小了92.5%和77.7%，动态性能得到极大提升。

4 结论

为了消除传统二次型Boost变换器控制-输出传递函数的谐振峰值点，减少RHP零点，提高变换器的动态响应速度，本文提出了中间电感固定放电时间PCCM二次型Boost变换器，通过对电感L2续流并固定其放电时间，消除了控制-输出小信号传递函数的两个RHP零点，既降低了控制环路补偿器的设计难度，又提高了变换器的动态响应速度，最后通过实验验证了理论分析的正确性。

图8 负载功率从10 W跳变到5 W时的实验波形

图9 负载功率从5 W跳变到10 W时的实验波形

[1]朱选才，徐德鸿，吴屏，等.燃料电池发电装置能量管理控制系统设计[J].中国电机工程学报，2008，28(11)：101-106.

[2]杨平，许建平，张士宇，等.峰值电流控制二次型Boost变换器[J].电工技术学报，2011，26(5)：101-107.

[3]张斐，许建平，王金平，等.具有快速动态响应的三态功率因数校正变换器[J].电机与控制学报，2011，15(1)：13-19.

[4]MA D S，KI W H.Fast-transient PCCM switching converter with freewheel switching control[J].IEEE Transactions on Circuits and Systems，2007，6(1):825-829.

[5]张占松，蔡宣三.开关电源的原理与设计[M].北京：电子工业出版社，2004.

PCCM quadratic Boost converter with fast transient response

For quadratic Boost converter operating in CCM (continuous conduction mode)， its control to output transfer function has three RHP(Right-half plane)zeros and two high resonances peaks，which makes it difficulty to design the compensator of control loop.A novel PCCM (pseudo continuous conduction mode)quadratic Boost converter and its corresponding control strategy were proposed， the input inductor and middle inductor of which operate in CCM and in PCCM with constant discharging time.Two RHP zeros of control to output transfer function are eliminated.PCCM quadratic Boost converter can not only simplify the design of the compensator of control loop，but also improve the transient response.Experimental results verify the theoretical analysis results.

constant discharging time;quadratic Boost converter;PCCM;transient response

TM 464

1002-087 X(2016)04-0899-04