全桥DCDC变换器平均电流控制模式控制分析

2009年09月21日 作者：王少坤 来源：《中国电源博览》 编辑：樊晓琳

摘要：倍流整流电路能够降低变压器副边的电流，特别适合于大电流输出的应用。本文分析和研究了平均电流模式控制策略在带有倍流整流电路的大电流输出全桥DC/DC变换器中的应用。并进行了仿真和实验。

关键词：DC/DC变换器；电流控制；倍流整流

Abstract: The two inductor rectifier circuit offers reduced secondary side current rating and is most suitable for high current applications. The paper analysis of average current mode Control on a high current output FB DC/DC Converter with two inductor rectifier circuit. Simulations and experiments ensure the rightness of the method.

Key Words: FB DC/DC Converter; Current-mode Control; Compensation Network 0 引言

相比电压控制模式控制，电流控制模式通过对电感电流的相位补偿，大大改善了电源的动态响应和并联特性。倍流整流（CDR）能够降低变压器副边的电流，减少其损耗；同时它有两个输出滤波电感，流经每个电感的电流只有负载电流的一半，输出滤波电感的损耗也小，特别适用于现今越来越多的需要大电流输出的场合。本文对一种带倍流整流电路的全桥DC/DC变换器的平均电流模式控制进行了分析和仿真。 1 两种电流控制模式的优缺点比较

电流控制模式有两种类型：峰值电流模式控制(PCMC)和平均电流模式控制(ACMC)。 峰值电流模式的优点是控制具有内在的输入电压反馈，逐个脉冲峰值电流限制和在保证隔离变压器磁芯的磁通平衡；但其缺点是易受噪声干扰，具有平均电流误差和需要斜坡补偿。平均电流模式则由于其显著优点得到了广泛应用, ○1跟踪电流设定值。这点应用在高功率因数控制电路中尤其重要,此时用一个小电感就能获得小于3%的谐波畸变,并且即使电路模型由连续电流模式过渡到不连续电流模式,平均电流法也能很好地工作;②噪声抑制能力强,因为当时钟脉冲使功率开关管开通后,晶振幅度迅速降到了一个低值; ③无须斜坡补偿,但为了电路工作稳定,在开关频率附近必须限定环路增益; ④平均电流法可应用在任意电路拓扑上,既能控制Buck 和Flyback 电路的输入电流,又能控制Boost 和Flyback 电路的输出电流。

2 带有倍流整流电路的全桥DC/DC变换器电路拓扑

一种电流模式控制带有倍流整流电路的大电流输出全桥DC/DC变换器的电路拓扑如图1 所示。

图1 电流模式控制倍流整流全桥DC/DC变换器

电流控制模式的采用保证了两个输出滤波电感上的电流平衡。内部电流环调节滤波电感的电流，外部电压环调节输出电压，在工作在电流调节模式的应用中，内部电流环是唯一起作用的控制环路。

图1所示倍流整流电路可以看作两个buck变换器的并联。在分析中与两个并联的buck变换器不同的一点是两个输出电感共用一个输出滤波电容，这一点在设计分析控制环路时必须加以考虑。

3 平均电流模式控制分析

平均电流模式控制能够精确的控制平均输出电流，相比峰值电流模式控制，具有更强的抗噪声干扰能力。很适合应用于需要限制输出电流的变换器。在平均电流模式控制中，电流采样可以是在隔离变压器的原边或者副边，在原边采样时需要考虑输出电流的斜坡误差；而在副边采样时，能够精确的测量平均输出电流，但是不能保证隔离变压器的磁通平衡，需要加一个隔直电容来确保磁通平衡。图1所示就是一个副边取样的平均电流模式控制变换器原理图，在这个电路中，采用了一个隔直电容(Cb)来防止磁通失衡。

对于电流模式控制开关变换器的分析有许多种方法，下面将用一个如图2所示的简化的PWM开关小信号模型来分析电流模式控制开关变换器。

图2 PWM开关模型

其中，d为D的扰动量，各大写电压、电流符号表示稳态分量,小写电压、电流符号表示瞬态分量。当d＝0时有：

因为变换器的输出电流就等于两个输出滤波电感的电流，系统可以简化为两个并联的Buck变换器。另外，由于两个输出滤波电感的电流并不是独立调节的，系统的小信号模型可以简化为一个平均电流模式控制的BUCK变换器，其输出滤波电感即为原来两个电感的并联。虽然每个电感的电流不是分别调节的，他们之间的平均电流的任何差别都会被输入隔直电容所平衡，这个电容保证了隔离变压器的零网络直流磁通，这样使得两个电感电流相等。需要注意的是：合成系统的开关频率是异相的两个滤波电感电流开关频率的两倍，输出倍频。 利用PWM开关模型，假定变压器是理想的，则变换器的等效小信号模型如图3所示.

图3 变换器的小信号模型

这里，Rs是采样电阻，He(s)是取样增益，Fm是调节增益，Gc(s)是补偿网络传递函数。（6）式中的采样增益和调节增益定义如下：

（1）

其中

（2）

（3）

（4）

（5）

在平均电流模式控制中，通常采用超前滞后补偿网络，其传递函数如下：

（6）

为了保证系统的稳定性，其零点需要配置在电流环的功率级滤波频率之前，这样补偿网络的相移会在开关频率一半处被零点抵消。极点通常配置在高于开关频率的一半处，以保证增益和消除高频噪声干扰。另外这样的极点配置，最大限度的减小了电流环的互扰。 由图2和图3，根据变压器初、次级两侧回路电压方程， 由：

可得：

通过以上的分析可以给出电流环的开环传递函数如下：

4 仿真与实验

（7）

用MATLAB计算仿真一个2.5KV变换器的环路传递函数，参数如下： Vin=320V Vo=48V Io=50A R=0.55Ω a=2.5 fs=75KHz Lf=30uH Co=10000uF Rc=20mΩ Rs=0.024Ω Ri=0.045Ω Vp=5V 仿真结果如图7所示：

图4 平均电流模式控制的闭环传递函数

从图4易知，在平均电流模式控制中通过设计合适的补偿网络，电流环就就可以达到稳定，不需要斜坡补偿。如图4所示电流环的增益裕度为13.5dB，相位裕度为67.7o。电流环的带宽是10KHz。

图5 平均电流模式控制的闭环传递函数

相应的系统闭环传递函数如图5所示，输出电流阶跃响应如图6所示。

图6 平均电流模式控制的输出电流阶跃响应

由图6可知，输出电流上冲很小（5％），系统在0.3ms达到稳态，达到了较好的控制效果。

为了检验分析的结果，在PSPICE中进行了仿真，在这个仿真中，系统看作两个具有单输出电流环的Buck变换器的并联。合成的电流环传递函数如图7所示，变换器的阶跃响应曲线如图8所示。从图中可以清楚地看到仿真的结果很好的符合了以上分析的结论。

图7 平均电流模式的闭环传递函数

2009年09月21日 作者：王少坤 来源：《中国电源博览》 编辑：樊晓琳

图8 平均电流模式控制的输出电流阶跃响应

5 结论

本文分析和仿真了应用于带倍流整流电路的全桥PWM变换器的平均电流模式控制。相比全桥和电感中心抽头整流电路，倍流整流电路的应用降低了变压器副边的电流，更适合于大电流的应用。另一方面，系统可以模拟为两个Buck变换器的并联；在平均电流模式控制中，两个电感可以简化为一个工作于两倍开关频率的一个电感；加入超前滞后网络可以保证电流环的稳定。