基于Buck型DC/DC变换器的移相脉宽调制策略

陈璐珈，夏益辉，孙力，叶志浩，黄靖



基于Buck型DC/DC变换器的移相脉宽调制策略

陈璐珈1，夏益辉1，孙力2，叶志浩1，黄靖1

(1. 海军工程大学 电气工程学院，武汉 430033；2. 海军92730部队，三亚 572016)

Buck型DC/DC变换器采用传统脉冲宽度调制时，输出电压谐波频次比较丰富，对于一些对特殊频次谐波比较敏感设备来讲，这是极为不利的，为了消除或降低某些频次谐波含量，提出一种移相脉宽调制策略。介绍了Buck型DC-DC变换器的基本结构，对比分析了传统脉宽调制和移相脉宽调制策略对输出电压谐波分布的影响，并对两种脉宽调制下输出电压和电感电流性能进行了仿真研究。仿真结果表明所提移相脉宽调制具有更小的输出电压纹波。

传统脉冲宽度调制 移相脉宽调制 输出电压纹波 DC-DC变换器

0 引言

高功率密度高性能DC-DC变换器广泛用于现代工业、家庭生活和国防等领域，随着电力电子技术和控制水平的不断提高，DC/DC变换器正朝着更高功率等级、更高电压等级、更高效率和更高功率密度等方向发展[1,2]。

传统的Buck电路具有电路简单、易于控制和技术成熟等优点，广泛用于DC-DC变换器中。文献[3]提出一种自适应占空比跨周期控制方法，实验结果表明该方法可以获得更小的纹波系数和更强的系统稳定性与瞬态响应能力；文献[4,5]提出采用固定关断时间控制用于提高系统动态响应速度和轻载效率等；文献[6]对固定关断时间控制进行了改进，有效提高了系统稳定性；文献[7,8]分析了脉冲频率技术对DC/DC效率影响。

针对Buck型DC/DC变换器采用传统脉冲调制策略时输出电压谐波含量丰富的问题，提出一种移相脉宽调制策略，以期可以根据负载运行特性，消除或降低某些频次谐波的影响。首先，对buck型DC/DC变换器的基本拓扑结构进行了介绍；其次，对比分析与研究了传统脉宽调制和移相脉宽调制对输出电压谐波分布的影响；最后，对理论分析进行了仿真验证，仿真结果表明所提移相脉宽调制可以获得更小的输出电压纹波。

1 Buck型DC/DC变换器拓扑结构

Buck型DC/DC变换器电路结构如图1所示，主要包括功率管S1、二极管D1、滤波电感L和滤波电容C。其中，滤波电感用于滤除高频谐波电流，滤波电容用于滤除高频谐波电压，二极管D1用于功率管S1断开时续流。

图1 Buck型DC/DC变换器电路结构

2 Buck型DC/DC变换器移相脉宽调制

2.1 Buck型DC/DC变换器传统调制策略

Buck型DC/DC变换器基本工作原理为：当功率管S1导通时，电源向电容C充电和负载供电；当功率管S1关断时，电容C向负载供电，同时电感中的电流经电容C和二极管D1续流。输出电压0为一个开关周期内的平均电压。

图2 功率管开关信号、电感电流和输出电压

图2为传统调制策略下功率管开关信号、电感电流i（电感电流连续模式进行研究）和输出电压0波形。图中输出电压可由一个周期函数(ωt)来表示。

其中，

由此可知，输出电压中含有丰富的谐波含量。

2.2 Buck型DC/DC变换器移相调制策略

图3为移相调制策略下功率管开关信号、电感电流i和输出电压0波形。图中输出电压可由一个周期函数’(ωt)来表示。

其中，、与式(1)相同，为移相角度，0££2π-。对输出电压0进行傅里叶分解可表示为：

2.3 移相脉宽调制对输出电压谐波特性的影响

从式(5)可知，当完全消除奇次谐波时，偶次谐波幅值达到最大；当完全消除偶次谐波时，奇数谐波幅值达到最大值，通过改变移相角可以灵活改变输出电压谐波特性。因此，根据负载运行特性，通过改变移相角可有效避免某些特殊频率对负载运行特性的影响。

图3 功率管开关信号、电感电流和输出电压

(a)传统调制策略

表1 Buck型DC-DC变换器参数

3 仿真验证

为了验证所提移相脉宽调制用于Buck型DC-DC变换器是否可行，对其进行了仿真研究，仿真参数如表1所示。

图4(a)、(b)分别为D=0.4时传统调制和移相脉宽调制下输出电压和电感电流仿真波形，图5(a)、(b)分别为D=0.6时传统调制和移相脉宽调制下输出电压和电感电流仿真波形。由图4和图5可知，移相脉宽调制下输出电压纹波为0.29%(D=0.4)和1.9%(D=0.6)，低于传统调制策略输出电压纹波系数2.9%(D=0.4)和2.6%(D=0.6)，移相脉宽调制和传统调制策略作用下电感电流纹波系数基本接近，因此，采用移相脉宽调制可以获得较好的输出性能。

(a)传统调制策略

4 结论

针对Buck型DC/DC传统脉宽调制输出电压谐波含量较为丰富的问题，提出一种移相脉宽调制策略，对比研究了两种调制策略下输出电压谐波分布情况，通过对理论进行推导和仿真结果进行分析，得出如下结论：

1）移相脉宽调制可以获得更小的输出电压纹波系数；

2）移相脉宽调制与传统脉宽调制下电感电流纹波系数基本相同。

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Shift Phase Pulse Width Modulation Based on Buck DC-DC Converter

Chen Lujia1, Xia Yihui1, Sun Li2, Ye Zhihao1, Huang Jing1

(1. College of Electric Engineering, Naval University of Engineering, Wuhan 430033, China; 2. Navy 92730 Sanya 572016, China)

TM46

A

1003-4862（2018）12-0053-04

2018-07-13

陈璐珈（1986-），本科，研究方向：电气工程及其自动化。E-mail: 594780016@qq.com

夏益辉（1987-），男，讲师，博士。研究方向为电力电子与电力传动。E-mail: xiayihui2005@163.com