準固定頻率滯環(huán)PWM電流模式控制方法的研究

西安交通大學電氣工程學院楊旭王兆安(西安710049)

摘要:本文針對現(xiàn)有PWM電流模式控制方法的固定開關(guān)頻率與控制快速性之間的矛盾,提出了一種準固定頻率滯環(huán)PWM電流模式控制方法,這種控制方法在適當放寬對開關(guān)頻率的嚴格要求的條件下,使電流控制的快速性大大提高,同時保持很好的穩(wěn)定性.本文對新的控制方法的基本原理進行了分析,并通過實驗證實了其良好的快速性和穩(wěn)定性。

關(guān)鍵詞:電流模式控制滯環(huán)

Research on Quasi－ Constant Frequency Hysteresis PWM Current Mode Control

Abstract: A new hysteresis PWM current mode control method is presented in the paper to eliminate the conflict between the requirement of constant switching frequency and rapid control of the existing current mode control. By properly loosing the restriction of constant switching frequency, the dynamic performance of current mode control is greatly improved, while system still keeping good stability. The principle of the new method is analyzed, and experiments have been done to prove the good dynamic performance and stability of the new control method.

Keywords: Current mode control Hysteresis

1引言

隨著對開關(guān)電源穩(wěn)態(tài)和動態(tài)特性的要求日益提高,開關(guān)電源中的PWM控制方法也經(jīng)歷了長足的發(fā)展。早期的開關(guān)電源僅采用單一的輸出電壓閉環(huán)反饋控制,可以基本滿足穩(wěn)定性和電壓控制精度的要求,但動態(tài)特性通常都不高。七十年代末期開始出現(xiàn)了電流模式控制方式(CurrentModeControl)[1－3]，其基本思想是在輸出電壓閉環(huán)控制系統(tǒng)中，增加了直接或間接的電流反饋控制，如圖1。

電流模式控制的引入給開關(guān)電源的控制性能帶來一次革命性的飛躍。總的來說，采用電流模式控制方式的系統(tǒng)有以下幾個優(yōu)點：

（1）系統(tǒng)的穩(wěn)定性增強，穩(wěn)定域擴大。

（2）系統(tǒng)動態(tài)特性改善。

這一點主要體現(xiàn)在對輸入電壓的擾動的抗擾能力的提高。輸入直流電壓中通常包含交流輸入電壓整流后的紋波，采用單獨的電壓環(huán)控制時，由于電壓環(huán)的響應速度慢，低頻的紋波很難消除，致使輸出電壓中包含輸入電壓低頻紋波成分。而采用電流控制后，輸出電壓中由輸入電壓引入的低頻紋波被完全消除。

（3）具有快速限制電流的能力。

由于有了電流控制，很容易對電路中的電流進行快速限幅，從而有效地降低了開關(guān)器件、變壓器、電感等元器件受到的電流沖擊，這對很容易因過流而損壞的高頻開關(guān)器件十分有益。事實上，采用電流控制后，電源中可以不必再設(shè)置輸出短路保護電路，當輸出端發(fā)生短路時，電流控制電路使電源輸出電壓下降，自動限制輸出電流值，電源不會損壞。

到目前為止，共出現(xiàn)了三種電流模式控制方法[2]：峰值電流模式控制（PeakCurrentModeControl）、平均電流模式控制（AverageCurrentModeControl）、電荷模式控制（ChargeModeControl）。這三種電流模式

(a)電壓模式控制系統(tǒng)

(b)電流模式控制系統(tǒng)
圖1電壓模式和電流模式控制系統(tǒng)的比較

準固定頻率滯環(huán)PWM電流模式控制方法的研究

圖3滯環(huán)PWM電流控制系統(tǒng)相軌跡

圖4電感L兩端電壓uL和電流iL的波形

控制方法都屬于固定頻率PWM控制，而固定的開關(guān)頻率同電流控制的快速性間存在矛盾，使得電流控制系統(tǒng)中出現(xiàn)分頻振蕩現(xiàn)象。

針對這一問題，本文提出了一種新的準固定頻率滯環(huán)PWM電流控制，這種控制方式在適當放寬對開關(guān)頻率的限制的條件下，可以大大提高電流控制的快速性，同時保持很好的穩(wěn)定性。本文定性地分析了其穩(wěn)定性和動態(tài)特性，并通過實驗證實了這種控制方式的有效性和優(yōu)越的動態(tài)性能。

2準固定頻率滯環(huán)PWM電流控制方法

2．1問題的提出

在實際應用中對系統(tǒng)動態(tài)特性的要求不斷提高，當電流調(diào)節(jié)器的設(shè)計使得電流環(huán)的截止頻率較高，接近電路的開關(guān)頻率時，開關(guān)環(huán)節(jié)的非線性帶來的影響就會變得較為明顯，這時最主要的問題就是在電路中出現(xiàn)分頻振蕩現(xiàn)象。不同電流模式控制方法雖然產(chǎn)生分頻振蕩的機理各不相同，但其根本原因是相同的，即對電流的快速控制同嚴格固定的開關(guān)頻率間的矛盾。

在實際應用中，希望開關(guān)頻率是固定的，這主要出于以下幾個方面的考慮：

(1)開關(guān)頻率固定有利于濾波電路的設(shè)計。當開關(guān)頻率在一定范圍變化時，濾波器需要按照頻率下限設(shè)計，從而造成一定的浪費。

(2)開關(guān)頻率固定有利于限制電路中的開關(guān)損耗。由于開關(guān)損耗同開關(guān)頻率成正比，因此當開關(guān)頻率升高時開關(guān)損耗也隨之直線上升，假如電路工作時開關(guān)頻率升得很高，有可能造成電路過熱損壞。

(3)有利于降低電路發(fā)出的噪音。如果電路工作時開關(guān)頻率下降到人耳的聽覺范圍內(nèi)（15～20kHz），電路中的磁性元件發(fā)出的噪音會十分刺耳。

(4)電路中的變壓器的設(shè)計依賴于固定的開關(guān)頻率。假如電路在工作中開關(guān)頻率降低很多，有可能引起變壓器鐵心飽和。

然而這些考慮都并不需要開關(guān)頻率嚴格固定，只需要將開關(guān)頻率限定在一定的范圍內(nèi)，或平均開關(guān)頻率基本固定就可以了。因此，可以通過適當放寬對開關(guān)頻率的限制來達到提高電流控制快速性的目的。

根據(jù)這一思路，本文提出一種準固定頻率滯環(huán)PWM電流控制方法。這種方法在滯環(huán)PWM控制的基礎(chǔ)上，加入開關(guān)頻率控制環(huán)，使得電路的平均開關(guān)頻率固定，而每個開關(guān)周期并不嚴格相等。這樣就在適當放寬固定開關(guān)頻率的前提下，使控制的快速性得以大幅度提高。

2．2滯環(huán)PWM電流控制的分析

　　滯環(huán)PWM電流控制是一種較為傳統(tǒng)PWM電流控制方法[4]，具有穩(wěn)定性好，響應速度快，誤差可控等優(yōu)點。其系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2，系統(tǒng)相軌跡如圖3。

圖2 滯環(huán)PWM電流控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

圖3 滯環(huán)PWM電流控制系統(tǒng)相軌跡

從相軌跡可以看出，相平面上存在一個穩(wěn)定的極限環(huán)，不論系統(tǒng)初始狀態(tài)如何，經(jīng)過一次開關(guān)轉(zhuǎn)換過程，相軌跡都會收斂于極限環(huán)，因此，滯環(huán)PWM控制具有非常好的穩(wěn)定性和快速性。

滯環(huán)PWM控制系統(tǒng)的開關(guān)周期同滯環(huán)寬度直接相關(guān)，并同系統(tǒng)主電路參數(shù)L、C、R及輸入、輸出電壓密切相關(guān)，為了得到開關(guān)周期同這些量間的解析關(guān)系，需要對實際系統(tǒng)進行簡化，并作出合理化假設(shè)。

在實際系統(tǒng)中，濾波電容C的值往往都比較大，以保證較小的輸出電壓紋波，因此可以假設(shè)其兩端電壓uo在一個開關(guān)周期內(nèi)是不變的，同時也可以假定輸入電壓的值在一個開關(guān)周期內(nèi)是不變的，這樣電感L的電流iL的波形就只由輸入、輸出電壓和導通、關(guān)斷時間決定。

設(shè)開關(guān)導通時電感L兩端電壓uL=U＋,而開關(guān)關(guān)斷時電感L兩端電壓uL=－U－，對于降壓型電路，U＋=Uin－Uo,U－=Uo。根據(jù)圖4的波形可以計算出開關(guān)周期Ts：

圖4 電感L兩端電壓UL和電流iL的波形

Ts=△iLL(1/U＋＋1/U－)(1)

其中L是常量，U＋、U－是變量，△iL是滯環(huán)寬度。當△iL不變時，Ts隨著U＋、U－的變化而改變。

2．3準固定頻率滯環(huán)PWM控制方法

　　根據(jù)式（1），在電路參數(shù)不變的條件下，開關(guān)頻率是同滯環(huán)寬度△iL相關(guān)的，因此，只要引入頻率負反饋，動態(tài)地調(diào)整滯環(huán)比較器的滯環(huán)寬度，就可以調(diào)節(jié)開關(guān)頻率，將開關(guān)頻率限制在一定的范圍內(nèi)。

準固定頻率滯環(huán)PWM控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)如圖5。

圖5準固定頻率滯環(huán)控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

其中FM為測頻電路，可以采用模擬或數(shù)字電路構(gòu)成。FR為頻率調(diào)節(jié)器，一般可采用PI調(diào)節(jié)器。

為了能調(diào)頻，必須采用環(huán)寬可調(diào)的滯環(huán)比較電路，可以有兩種實現(xiàn)方法：

（1）將誤差信號e與環(huán)寬給定信號h＊相乘，再進行比較，h＊越大，等效環(huán)寬越小，開關(guān)頻率越高。

（2）直接通過改變滯環(huán)比較器的輸出限幅值來改變環(huán)寬，h＊越大，環(huán)寬越大，開關(guān)頻率越低。

??? ???

由于這兩種方法中h＊對開關(guān)頻率的控制作用方向相反，因此需要相應改變頻率調(diào)節(jié)器的極性。

為了不影響電流環(huán)的穩(wěn)定性和動態(tài)特性，頻率環(huán)的調(diào)節(jié)速度應比較慢。這樣，增加了頻率控制環(huán)后的系統(tǒng)的穩(wěn)定性和快速性同傳統(tǒng)的滯環(huán)PWM控制系統(tǒng)基本上是一樣的。

3準固定頻率滯環(huán)PWM控制方法的實驗研究

為了證實準固定頻率滯環(huán)PWM控制方法的可行性以及其快速性，進行了多種實驗。實驗電路采用調(diào)整比較器輸出限幅的辦法來調(diào)節(jié)頻率，測頻電路采用單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器，頻率調(diào)節(jié)器采用比例—積分調(diào)節(jié)器。PWM開關(guān)頻率設(shè)定值約為70kHz.。

圖8和圖9為給定信號是大幅度變化的方波時，電感電流跟隨變化的情況。圖8中給定為10kHz方波，圖9中給定為1kHz方波，幅值都是0～2A。

圖10中給定為正弦波，頻率1kHz，幅度約為1～3A。

1－電流給定，1A/格；2－電感電流，1A/格；時間，50μs/格
圖8給定10kHz方波時的電感電流

1－電流給定，1A/格；2－電感電流，1A/格；時間，100μs/格
圖9給定1kHz方波時的電感電流

1－電流給定，1A/格；2－電感電流，1A/格；時間，250μs/格
圖10給定1kHz正弦波時的電感電流

可以看出，采用準固定頻率滯環(huán)PWM控制方法的電流控制系統(tǒng)的跟隨特性非常好，跟蹤速度很快。

而且，跟隨階躍給定時，電流并沒有出現(xiàn)振蕩現(xiàn)象，這說明系統(tǒng)的穩(wěn)定性也是很好的。

圖11為圖9的局部放大，從中可以看出開關(guān)頻率是在變化的。

1－電流給定，1A/格；2－電感電流，1A/格；時間，25μs/格
圖11給定1kHz方波時的電感電流放大圖

4結(jié)論

　　本文針對現(xiàn)有的固定頻率電流模式控制方法的控制快速性與固定開關(guān)頻率的矛盾，提出了一種新的準固定頻率滯環(huán)PWM電流控制方法，它通過適當放寬對開關(guān)頻率的嚴格要求，達到明顯提高控制快速性的目的。本文通過實驗證明，這種控制方式具有很高的快速性，同時保持了良好的穩(wěn)定性，適合于對控制速度要求很高的場合。