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双环控制Boost变换器的双随机调制技术分析与仿真

供稿:中国工控网 2006/5/18 10:18:00

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关键词:随机调制;EMI;Boost变换器;平均电流控制模式
中图分类号:TM46 文献标识码:A
Analysis and Simulation of Dual Randomized PWM Technique for the Boost Convertor using the Dual Loop Control
WANG Hao-xiong, WANG Bin, WANG Gui-xing, CUI Jin-xiu
(College of Electric Engineering & Information Science, China Three gorges University, Yichang 443002, China)
Abstract: The paper presents a dual randomized modulation simulation modulat for dual loop control Boost convertor through analyzing Boost convertor using dual randomized modulation. By simulation result , it can be concluded dynamic adjustment performance of system is not changed and EMI produced by system is evidently attenuated while using dual randomized modulation. Thus, synthesis performance of the circuit is improved evidently.
Key words : randomized modulation; EMI ; Boost convertor; average current control mode
1 引言
近年来,由电力电子设备引起的电磁干扰(EMI)和电磁污染,已逐渐成为主要的谐波源。随机PWM调制技术是减少电力电子开关电路EMI的有效方法之一。随机调制技术不需更改电力电子系统的拓扑结构,对系统和滤波器的设计无额外要求,是一种优化的硬开关调制技术[2]。该技术的提出,为提高电力电子系统的电磁兼容性提供了一种简单而有效的新思路,因此,随机PWM调制技术具有广泛的应用价值。
在DC-DC变换器中,除Buck变换器外,Boost、Buck-Boost等变换器的开环传递函数均有一个右半平面零点(RHPZ),使得用单一的反馈电压控制环难以同时保证系统在受到某种扰动作用时,既有很好的动态品质又不致造成系统失稳,而 Boost、Buck-Boost变换器均为二阶系统,有两个状态变量(电感电流和电容电压),因此,在开关调压系统中取输出电压和电感电流两种反馈信号实现双环控制,符合最优控制规律,可以获得更好的动态品质[1,5],但是双环控制无法改善系统的电磁兼容性。
为了提高DC-DC变换器的综合性能,在满足系统电磁兼容指标的同时,又能保证系统的动态调节性能,本文将双随机调制技术应用于平均电流控制模式的Boost变换器,用MATLAB对双随机调制的双环控制Boost变换器进行了仿真研究和分析,结果表明,双随机调制技术在不影响系统动态品质的同时,明显减小了系统产生的传导EMI。
2 随机调制技术原理
常规PWM技术取决于开关信号的脉冲宽度变化,各次高频谐波的幅值随着脉冲宽度的函数而变化,总是有一些能量集中在谐波频率上,从频域功率谱密度的观点看,这些幅值就可能不满足电磁兼容标准的要求。随机调制技术是将按某种概率规律分布的随机信号加入到开关信号,使得开关信号变为非周期信号,将原来集中在开关频率及其谐波频率上的能量分摊在整个频域范围内,从而有效减小了离散谐波幅值,使功率谱呈现较连续的频谱特性,明显地抑制了存在于开关功率电路中的传导 EMI[2]。
由图1可知,对于随机PWM脉冲信号的三个变量中,可独立随机变化的变量有两个,即开关周



方式,它在输出信号产生的功率谱密度,虽然降低了各个高频谐波分量的谱值,但依然包含有离散谐波谱成份。而双随机调制则产生更加连续的功率谱,使得高频离散谐波谱成份有很大减小,从而使系统产生的EMI显著降低[2]。
此外,与常规PWM调制技术相比,随机调制技术增加了输出电压和电感电流纹波分量的最大偏移量[3,4]。因此,随机调制的随机程度不能选取的过大。当随机程度过大时,采用随机调制技术减小离散谱的优点,将被输出电压纹波分量的增加而抵消。
3 Boost变换器的平均电流控制模型
变换器工作在连续导电模式下有两种工作状态,开关管导通状态和关断状态。对于Boost变换器的这两种开关状态,由状态空间平均法可得到其


态值。如前所述,该传函由于RHPZ的存在,需引入双环控制才能改善其动态调节性能。在双环控制中,有平均电流控制和峰值电流控制两种模式。平均电流控制模式与峰值电流控制模式相比,具有控制精度高、抗噪性能优越、不需斜坡补偿等优点,非常适合于要求较高的场合[6]。
当采用双随机调制技术时,由于三角波的斜率不断变化,若采用峰值电流控制,则无法取得一个随三角波斜率变化而变化的斜坡补偿,而平均电流控制则不需要考虑这个问题,只需根据大信号稳定条件,保证电流环的比例放大系数不超过某一上限即可。
由于随机调制技术不影响占空比d的稳态值,因此随机调制技术的应用不影响对变换器小信号模型的分析。图2为平均电流模式控制Boost变换器的原理图。


为便于分析,现假定:
(1)扰动信号比其稳态量小得多,即小信号假定;
(2)开关是理想的,变换器由于开关造成的状态转换是瞬间完成的;
(3)负载为一等效电阻;
图3为双环控制Boost变换器的系统传递函数框图。图中的虚线框部分为电流控制环,它由电流调节器K1(s)、PWM比较器GPWM(s)和功率转换电路GPS(s)组成,其作用是跟踪电感电流的控制编程信号ue2。
功率转换电路的传递函数:






由此可得平均电流控制模式的开环传递函数为:


4 系统仿真性能分析


图4为常规PWM调制和双随机调制方式的电感电流仿真结果功的率谱估计。可以看出,双随机调制技术的应用,使谐波谱的峰值较常规PWM调制所产生的谐波谱峰值有很大的减小,特别是高频离散谐波部分。而且,双随机调制所产成的频谱更加连续,很好地减少了变换器运行所产生的 EMI,明显改善了系统的电磁兼容性。


图4 电感电流功率谱估计


(1)作出的系统开环频率特性波特图,可以看出,系统的增益裕度(频率A1点)和相角裕度(频率B1点)均不满足使系统稳定的条件。图5(b)为根据式(5)作出的双环控制系统频率特性波特图,系统的相角裕度(频率A2点)满足使系统稳定的条件,经补偿的系统幅频特性类似于一个一阶系统。
图6为系统采用双环控制,当负载发生扰动时,两种不同调制方式的输出电压动态响应曲线。仿真过程为系统进入稳态后,负载在t=0.003s时由24Q变为16Q,f=0.005s时变为24Q。由图可见,当两种调制方式分别与双环控制相结合时,系统均具有相同的动态调节性能,使输出电压同时趋于稳定。所不同的是,由于图6(b)采用了双随机调制技术,使输出电压的纹波分量有所增加,输出


(a)开环系统


(b)双闭环系统
图5 系统频率特性波特图




图6 系统调节过程仿真
5 结论
从以上对系统的分析和仿真可以看出,双随机调制技术的应用,明显减小了系统产生的传导 EMI,在提高系统电磁兼容性的同时,不影响双环系统的动态调节性能,使变换器的综合性能明显提高;由于平均电流控制模式不需斜坡补偿,因此将双随机调制技术用于平均电流控制模式Boost变换器时,不需采取额外的技术措施,便于实现;此外,随机程度直接影响系统输出纹波分量的最大偏移量。
参考文献
[1] 蔡宣三,龚绍文.高频功率电子学:直流一直流交换部分[M].北京:科学出版社。1993.
[2] 王斌。李兴源.双随机调制技术及其功率谱密度特性分析[J].中国电机工程学报。2004.24(4):97~101.
[3] K.K. Tse, Henry. A Comparative Investigation on the Use of Random Modulation Schemes for DC/DC Converters [J]. IEEE Transaction on Idustrial Electronics, 2002,2 : 253~263.
[4] A.M. Stankovic, G. C. Verghese,. J. Perreault. A - nalysis and synthesis of randomised modulation schemes for power converters[J]. IEEETrans. Power Electron. , 1995:680~693.
[5] Ray Riddley. current mode or voltage mode? [J]. Switehiag Power Magazine,October 2000.
[6] 周志敏,周纪海.开关电源实用技术设计与应用[M].北京:人民邮电出版,2003.

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