準固定頻率滯環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:本文針對現有PWM電流模式控制方法的固定開關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PWM電流模式控制方法,這種控制方法在適當放寬對開關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定性。

關鍵詞:電流模式控制滯環

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

隨著對開關電源穩態和動態特性的要求日益提高,開關電源中的PWM控制方法也經歷了長足的發展。早期的開關電源僅采用單一的輸出電壓閉環反饋控制,可以基本滿足穩定性和電壓控制精度的要求,但動態特性通常都不高。七十年代末期開始出現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控制系統中，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有以下幾個優點：

（1）系統的穩定性增強，穩定域擴大。

（2）系統動態特性改善。

這一點主要體現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，采用單獨的電壓環控制時，由于電壓環的響應速度慢，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置輸出短路保護電路，當輸出端發生短路時，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

(b)電流模式控制系統
圖1電壓模式和電流模式控制系統的比較

準固定頻率滯環PWM電流模式控制方法的研究

圖3滯環PWM電流控制系統相軌跡

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，而固定的開關頻率同電流控制的快速性間存在矛盾，使得電流控制系統中出現分頻振蕩現象。

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

2準固定頻率滯環PWM電流控制方法

2．1問題的提出

在實際應用中對系統動態特性的要求不斷提高，當電流調節器的設計使得電流環的截止頻率較高，接近電路的開關頻率時，開關環節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分頻振蕩現象。不同電流模式控制方法雖然產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頻率間的矛盾。

在實際應用中，希望開關頻率是固定的，這主要出于以下幾個方面的考慮：

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

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

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

(4)電路中的變壓器的設計依賴于固定的開關頻率。假如電路在工作中開關頻率降低很多，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頻率嚴格固定，只需要將開關頻率限定在一定的范圍內，或平均開關頻率基本固定就可以了。因此，可以通過適當放寬對開關頻率的限制來達到提高電流控制快速性的目的。

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

2．2滯環PWM電流控制的分析

　　滯環PWM電流控制是一種較為傳統PWM電流控制方法[4]，具有穩定性好，響應速度快，誤差可控等優點。其系統結構如圖2，系統相軌跡如圖3。

圖2 滯環PWM電流控制系統結構

圖3 滯環PWM電流控制系統相軌跡

從相軌跡可以看出，相平面上存在一個穩定的極限環，不論系統初始狀態如何，經過一次開關轉換過程，相軌跡都會收斂于極限環，因此，滯環PWM控制具有非常好的穩定性和快速性。

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

在實際系統中，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，因此可以假設其兩端電壓uo在一個開關周期內是不變的，同時也可以假定輸入電壓的值在一個開關周期內是不變的，這樣電感L的電流iL的波形就只由輸入、輸出電壓和導通、關斷時間決定。

設開關導通時電感L兩端電壓uL=U＋,而開關關斷時電感L兩端電壓uL=－U－，對于降壓型電路，U＋=Uin－Uo,U－=Uo。根據圖4的波形可以計算出開關周期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PWM控制方法

　　根據式（1），在電路參數不變的條件下，開關頻率是同滯環寬度△iL相關的，因此，只要引入頻率負反饋，動態地調整滯環比較器的滯環寬度，就可以調節開關頻率，將開關頻率限制在一定的范圍內。

準固定頻率滯環PWM控制系統的結構如圖5。

圖5準固定頻率滯環控制系統結構

其中FM為測頻電路，可以采用模擬或數字電路構成。FR為頻率調節器，一般可采用PI調節器。

為了能調頻，必須采用環寬可調的滯環比較電路，可以有兩種實現方法：

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

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

??? ???

由于這兩種方法中h＊對開關頻率的控制作用方向相反，因此需要相應改變頻率調節器的極性。

為了不影響電流環的穩定性和動態特性，頻率環的調節速度應比較慢。這樣，增加了頻率控制環后的系統的穩定性和快速性同傳統的滯環PWM控制系統基本上是一樣的。

3準固定頻率滯環PWM控制方法的實驗研究

為了證實準固定頻率滯環PWM控制方法的可行性以及其快速性，進行了多種實驗。實驗電路采用調整比較器輸出限幅的辦法來調節頻率，測頻電路采用單穩態觸發器，頻率調節器采用比例—積分調節器。PWM開關頻率設定值約為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PWM控制方法的電流控制系統的跟隨特性非常好，跟蹤速度很快。

而且，跟隨階躍給定時，電流并沒有出現振蕩現象，這說明系統的穩定性也是很好的。

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結論

　　本文針對現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頻率的矛盾，提出了一種新的準固定頻率滯環PWM電流控制方法，它通過適當放寬對開關頻率的嚴格要求，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定性，適合于對控制速度要求很高的場合。