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創(chuàng)新的自適應(yīng)脈寬調(diào)制器可為穩(wěn)壓器提供恒定開關(guān)頻率
發(fā)布時間:2018-05-08 責(zé)任編輯:lina
【導(dǎo)讀】本文介紹一種創(chuàng)新的自適應(yīng)穩(wěn)壓器(AC/DC或DC/DC)脈寬調(diào)制器(PWM),基于“固定關(guān)斷時間(FOT)”或“恒定導(dǎo)通時間(COT)”控制方法,可以在全工況下(例如,滿負(fù)載CCM或中低負(fù)載DCM模式,寬輸入輸出電壓)以恒定開關(guān)頻率工作,無轉(zhuǎn)換器的寄生參數(shù)(例如,功率開關(guān)和濾波電感器的電阻)的負(fù)面影響。此外,本文提出的調(diào)制器電路與轉(zhuǎn)換器拓?fù)錈o關(guān)(升壓、降壓、反激式等),只與功率開關(guān)管柵極驅(qū)動邏輯信號(GD)有關(guān),節(jié)省芯片引腳數(shù)量,且/或降低設(shè)計(jì)復(fù)雜程度。
意法半導(dǎo)體G. Gritti
摘要
本文介紹一種創(chuàng)新的自適應(yīng)穩(wěn)壓器(AC/DC或DC/DC)脈寬調(diào)制器(PWM),基于“固定關(guān)斷時間(FOT)”或“恒定導(dǎo)通時間(COT)”控制方法,可以在全工況下(例如,滿負(fù)載CCM或中低負(fù)載DCM模式,寬輸入輸出電壓)以恒定開關(guān)頻率工作,無轉(zhuǎn)換器的寄生參數(shù)(例如,功率開關(guān)和濾波電感器的電阻)的負(fù)面影響。此外,本文提出的調(diào)制器電路與轉(zhuǎn)換器拓?fù)錈o關(guān)(升壓、降壓、反激式等),只與功率開關(guān)管柵極驅(qū)動邏輯信號(GD)有關(guān),節(jié)省芯片引腳數(shù)量,且/或降低設(shè)計(jì)復(fù)雜程度。
前言
在一個基于FOT控制方法的開關(guān)式轉(zhuǎn)換器內(nèi),控制器使功率開關(guān)管的關(guān)斷時間(TOFF)固定不變,并調(diào)制功率開關(guān)的導(dǎo)通時間(TON),以此調(diào)整輸出電壓或電流。反之亦然,COT控制方法是使功率開關(guān)的導(dǎo)通時間固定不變,同時調(diào)制功率開關(guān)的關(guān)斷時間,調(diào)整轉(zhuǎn)換器的輸出電壓電流。最簡單的FOT或COT電路會導(dǎo)致開關(guān)頻率(FSW)顯著變化,這主要與輸入輸出電壓設(shè)置點(diǎn)和負(fù)載(CCM 或DCM模式)有關(guān)。具體地講,當(dāng)負(fù)載降低時,開關(guān)頻率將會升高,導(dǎo)致能效降低或產(chǎn)生意外的特性(需要更寬的EMI濾波器),這是一個眾所周知的技術(shù)缺點(diǎn),不少文獻(xiàn)中都有記載解決這個問題的辦法。
例如,用FOT方法控制CCM PFC前級升壓穩(wěn)壓器,導(dǎo)致開關(guān)頻率隨電網(wǎng)電壓和負(fù)載條件而發(fā)生明顯變化[1]。按照實(shí)時電網(wǎng)電壓調(diào)制關(guān)斷時間,可以降低開關(guān)頻率(TOFFKt Vin, pksinθ), 如圖1所示,只要升壓級是CCM模式,最終開關(guān)頻率是恒定的[2],如圖1右圖所示。
COT被廣泛用于控制基于降壓[3-5]和升壓[6]拓?fù)涞腄C/DC轉(zhuǎn)換器。在降壓轉(zhuǎn)換器[3]內(nèi),假設(shè)是CCM模式且忽略寄生效應(yīng)(例如,功率開關(guān)和濾波電感器的電阻),按照檢測到的輸入輸出電壓調(diào)制導(dǎo)通時間,可以產(chǎn)生恒定的開關(guān)頻率。事實(shí)上,根據(jù)[4]-[5],實(shí)現(xiàn)這個目標(biāo)還需要檢測功率開關(guān)上的電壓并按照該電壓對導(dǎo)通時間進(jìn)行深度調(diào)制。同樣的方法還用于COT 升壓轉(zhuǎn)換器[6]和FOT升壓轉(zhuǎn)換器[7]。值得注意地是,關(guān)于如何將開關(guān)頻率變化降到最小,[2-7]給出的解決方法都是基于轉(zhuǎn)換器占空比估算值(這與CCM模式下的理想開關(guān)頻率密切相關(guān))和檢測轉(zhuǎn)換器電網(wǎng)電氣參數(shù)(例如,輸入輸出電壓、功率開關(guān)/電感器電壓降等)。
為解決前文提到的所有缺點(diǎn),本文提出的調(diào)制器的主要思路是測量功率開關(guān)的導(dǎo)通時間(或關(guān)斷時間),然后根據(jù)這個信息適時調(diào)制關(guān)斷或?qū)〞r間,最終取得恒定開關(guān)頻率。
創(chuàng)新的調(diào)制器: 工作原理
圖 2 所示是我們提出的調(diào)制器(黑色的是FOT調(diào)制器,綠色的是COT調(diào)制器),其中Q代表功率開關(guān)管柵極驅(qū)動邏輯信號,END-TOFF (END-TON)是調(diào)制器的輸出,其上升沿是TOFF (TON)時長;IR1和IR2恒定電流發(fā)生器。采用與圖[1]相同的符號表示法,VTH_RAMP和VRAMP電壓可以表示為2πfline t 的函數(shù),T(θ)= TON(θ)+ TFW(θ)+TR(θ)=TON(θ)+ TOFF(θ)是開關(guān)周期。
假設(shè) T(θ) << Rt2 Ct2 << 1/fline,fline是電網(wǎng)電壓頻率,電容Ct2上的開關(guān)頻率紋波忽略不計(jì),其平均值忠實(shí)地跟隨電網(wǎng)頻率變化。
以FOT控制電路為例,通過將該電荷平衡應(yīng)用到開關(guān)周期,可以求出Ct2上的平均電壓VTH_RAMP (θ):
解方程式(1)求出VTH_RAMP (θ)電壓:
在功率開關(guān)管關(guān)斷期間,CR1電容的充電電流是IR1恒流,CR1電容上的電壓VRAMP (θ)線性升高:
只要(2)等于(3),調(diào)制器立即結(jié)束功率開關(guān)管的關(guān)斷時間(TOFF時間):
解方程式(4)計(jì)算1/T(θ)值:
方程式(5)證明,最終開關(guān)頻率是恒定值,與輸入輸出電壓設(shè)置點(diǎn)無關(guān),也與工況(CCM或DCM)和轉(zhuǎn)換器的寄生參數(shù)無關(guān)。
值得注意地是,本文提出的調(diào)制器僅基于轉(zhuǎn)換器功率開關(guān)的柵極驅(qū)動邏輯信號(Q),因此,是一個適用于所有轉(zhuǎn)換器拓?fù)涞耐ㄓ谜{(diào)制器。
創(chuàng)新的調(diào)制器: 仿真實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證
我們采用PSIM 仿真法在不同的拓?fù)?例如,DC/DC降壓COT、PFC升壓FOT、DC/DC反激式FOT轉(zhuǎn)換器等)內(nèi)測試并驗(yàn)證圖2所示調(diào)制器。
因篇幅原因就不在這里贅述良好的測試結(jié)果,我們在PFC前級升壓穩(wěn)壓器上通過實(shí)驗(yàn)方法驗(yàn)證這款創(chuàng)新的調(diào)制器的性能。
圖3和4分別是實(shí)驗(yàn)波形和內(nèi)置[2]的LM-FOT調(diào)制器的400W PFC [8]與這款創(chuàng)新的調(diào)制器的性能比較。
具體地講,圖3所示是開關(guān)頻率在寬輸入電壓(230Vac-左和115Vac-右)范圍和所有負(fù)載條件中(CCM-左, DCM - 右)保持恒定。與標(biāo)準(zhǔn)LM-FOT方法相比,本文提出的創(chuàng)新調(diào)制器的性能大幅改進(jìn),特別是在高壓線DCM運(yùn)行模式更為明顯,如圖4所示。
結(jié)束語和未來研究
本文提出一個創(chuàng)新的采用FOT/COT方法實(shí)現(xiàn)恒定開關(guān)頻率的自適應(yīng)PWM調(diào)制器,并通過仿真和實(shí)驗(yàn)方法驗(yàn)證了這個概念。在摘要中,我們介紹了這個調(diào)制器設(shè)計(jì)的工作原理。這篇論文的正文部分還將探討非理想因素(例如,Ct2 電容上的紋波)的重要影響和調(diào)制器小信號模型,以及更多信息和仿真驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)結(jié)果。
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