具有快速動態響應的PCCM二次型Boost變換器

舒立三， 許建平， 張 斐， 董 政

(西南交通大學電氣工程學院磁浮技術與磁浮列車教育部重點實驗室，四川成都610031)

具有快速動態響應的PCCM二次型Boost變換器

舒立三， 許建平， 張 斐， 董 政

(西南交通大學電氣工程學院磁浮技術與磁浮列車教育部重點實驗室，四川成都610031)

工作于電感電流連續導電模式(CCM)的二次型Boost變換器，其控制-輸出小信號傳遞函數含有三個右半平面(RHP)零點和兩個諧振峰值點，增加了控制環路補償器的設計難度。提出了固定中間電感放電時間的偽連續導電模式(PCCM)二次型Boost變換器及其控制策略，其輸入電感工作于CCM模式、中間電感工作于固定放電時間PCCM模式，消除了控制-輸出小信號傳遞函數的兩個RHP零點，在降低控制環路補償器設計難度的同時，提高了動態響應速度，最后通過實驗驗證了理論分析的正確性。

固定放電時間；二次型Boost變換器；PCCM；快速動態響應

近年來，燃料電池發電系統對開關DC-DC變換器的輸入電壓范圍提出了越來越高的要求[1]。二次型DC-DC變換器僅使用一個開關管實現了與占空比成平方關系的直流電壓傳輸比，拓寬了開關DC-DC變換器輸入電壓的變化范圍，得到了廣泛關注[2]。

工作于電感電流連續導電模式(CCM)的二次型Boost變換器，其控制-輸出傳遞函數含有三個右半平面(RHP)零點和兩個諧振峰值點，增加了控制環路補償器的設計難度，并影響變換器的動態響應速度。為了減少二次型Boost變換器RHP零點，提高變換器的動態響應速度，本文提出了輸入電感工作于CCM模式，中間電感電流在一個開關周期內存在充電、放電和續流三個狀態且放電時間固定的偽連續導電模式(PCCM)二次型Boost變換器。通過對中間電感續流并固定其放電時間，消除了控制-輸出小信號傳遞函數的兩個RHP零點，在降低控制環路補償器設計難度的同時，提高了變換器的動態響應速度，最后通過實驗驗證了理論分析的正確性。

1 PCCM二次型Boost變換器拓撲

圖1 二次型Boost變換器

圖2 PCCM二次型Boost變換器

在一個開關周期內，PCCM二次型Boost變換器存在如圖3所示三個工作模態，其主要波形如圖4所示。

圖4 PCCM二次型Boost變換器主要波形

根據圖4可知：

2 PCCM二次型Boost變換器

2.1 控制策略

PCCM二次型Boost變換器的控制原理框圖如圖5所示。輸出采樣電壓(為輸出電壓采樣系數)與參考電壓比較，通過PI補償器A(s)得到電壓誤差信號，電壓誤差信號與三角載波比較，得到開關管的控制脈沖；將開關管的控制脈沖反向，疊加固定死區時間，得到開關管的控制脈沖。

圖5 PCCM二次型Boost變換器原理圖

由式(5)整理可得：

2.2 小信號分析

PCCM變換器的小信號建模方法與斷續導電模式變換器一樣[4]。對于PCCM二次型Boost變換器，定義狀態變量、輸入量()、輸出量根據狀態空間平均等效[5]和式(9)可得PCCM二次型Boost變換器控制-輸出小信號傳遞函數：

為了對比PCCM二次型Boost變換器和二次型Boost變換器的頻域特性，根據式(10)和文獻[3]給出的二次型Boost變換器控制-輸出小信號傳遞函數，可得如圖6所示PCCM二次型Boost變換器和二次型Boost變換器波特圖。由文獻[3]可知二次型Boost變換器含有三個RHP零點，根據額定功率下的實驗參數計算出其RHP零點為287±j 3 217和99 408，且由圖6(a)可知，二次Boost變換器有兩個很高的諧振峰值點，增加了控制環路補償器的設計難度；由圖6(b)可知，PCCM二次型Boost變換器沒有諧振峰值點，由額定功率下的實驗參數計算出其RHP零點為2 245，與二次型Boost變換器相比減少了兩個RHP零點，且其相頻特性曲線下降速度較二次型Boost變換器緩慢。因此，PCCM二次型Boost變換器既可降低控制環路補償器的設計難度[3]，又能提高變換器的動態響應速度。

圖6 控制-輸出小信號傳遞函數波特圖

3 實驗驗證

為驗證理論分析的正確性，設計了電壓型控制二次型Boost變換器和PCCM二次型Boost變換器，其主要參數為：，額定負載功率=10 W。圖7為額定負載功率下，二次型Boost變換器和PCCM二次型Boost變換器的穩態波形。由圖7(a)可知，二次型Boost的兩個電感均工作于CCM模式；由圖7(b)可知PCCM二次型Boost變換器的輸入電感工作于CCM模式，中間電感工作于PCCM模式且固定放電時間為5 μs。

圖7 額定負載功率下的穩態波形

圖8和圖9分別為二次型Boost變換器和PCCM二次型Boost變換器的負載功率從10 W跳變到5 W時和負載功率從5 W跳變到10 W時的實驗波形。由圖8可知，在減載過程中，二次型Boost變換器輸出電壓的調整時間、超調量分別為5.4 ms、270 mV；PCCM二次型Boost變換器輸出電壓的調整時間、超調量分別為400 μs、60 mV。由圖9可知，在加載過程中，二次型Boost變換器輸出電壓的調整時間、超調量分別為5 ms、260 mV；PCCM二次型Boost變換器輸出電壓的調整時間、超調量分別為320 μs、40 mV。在加載和減載過程中，PCCM二次型Boost變換器輸出電壓的調整時間、超調量分別比二次型Boost變換器減小了92.5%和77.7%，動態性能得到極大提升。

4 結論

為了消除傳統二次型Boost變換器控制-輸出傳遞函數的諧振峰值點，減少RHP零點，提高變換器的動態響應速度，本文提出了中間電感固定放電時間PCCM二次型Boost變換器，通過對電感L2續流并固定其放電時間，消除了控制-輸出小信號傳遞函數的兩個RHP零點，既降低了控制環路補償器的設計難度，又提高了變換器的動態響應速度，最后通過實驗驗證了理論分析的正確性。

圖8 負載功率從10 W跳變到5 W時的實驗波形

圖9 負載功率從5 W跳變到10 W時的實驗波形

[1]朱選才，徐德鴻，吳屏，等.燃料電池發電裝置能量管理控制系統設計[J].中國電機工程學報，2008，28(11)：101-106.

[2]楊平，許建平，張士宇，等.峰值電流控制二次型Boost變換器[J].電工技術學報，2011，26(5)：101-107.

[3]張斐，許建平，王金平，等.具有快速動態響應的三態功率因數校正變換器[J].電機與控制學報，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]張占松，蔡宣三.開關電源的原理與設計[M].北京：電子工業出版社，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

A

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

2015-09-13

國家自然科學基金(51177140)；中央高校基本科研業務費專項資金(2682013ZT20)。

舒立三(1984—)，男（苗族），湖南省人，碩士，主要研究方向為開關變換器拓撲及應用。