基于电流模式控制的SEPIC的设计与仿真研究.pdf

收稿日期：基金项目：年度安徽省高校自然科学研究项目（）作者简介：王宾（），男，安徽太和人，安徽电子信息职业技术学院电子工程学院实验师，：第 卷第期 年 月太原学院学报（自然科学版）（）基于电流模式控制的 的设计与仿真研究王宾（安徽电子信息职业技术学院 电子工程学院，安徽 蚌埠 ）摘要：电流模式控制因瞬态响应速度快，易实现限流、均流等，被广泛应用于开关电源。以电流模式控制 为例，设计了其电路参数，并仿真分析了关键电路参数对变换器稳定性的影响；根据 的工作原理，定量分析了各状态变量间的数学关系；设计并确定了 电感犔、电感犔、输出电容犆、耦合电容犆等主要电路参数；搭建了 仿真电路模型，并仿真分析了关键电路参数对 的稳定性影响。结果表明，在进行峰值电流模式控制 的设计工作时，个稳定边界对电路参数选取在稳定区域所对应的坐标轴数值，可使峰值电流模式控制 工作在稳定状态。关键词：单端初级电感变换器；电流模式控制；仿真；稳定性中图分类号：文献标识码：文章编号：（）犇 犗 犐：引言单端初级电感变换器（，）是一种具有既能升压又能降压、输入输出电流脉动较小、输入输出电压极性相同等诸多优点的高阶变换器，广泛应用于便携式电子设备、功率因数校正电路、分布电源系统和电池充电器。相对于传统电压型控制，电流型控制具有逐周期限流的功能，易于实现多个并联开关变换器的均流，瞬态响应速度快。近年来，国内外的专家学者对结构复杂且存在大量非线性现象的 开展了诸多研究工作。祝熙彤等对电压模式控制 进行研究时，发现了该控制方式下的 存在的分岔行为与低频振荡现象，还对系统中的低频不稳定现象采用了数值模拟、理论分析和电路实验的研究方法进行研究。除此之外，刘芳等通过理论分析和仿真结果验证了在电压模式控制 功率因数预调节器（）中存在的边界碰撞分岔，并且为选取此类系统参数提供了预测稳定边界的方法。在电流模式控制 的研究方面，王浩宇等为改善间歇性分岔及间歇性混沌等现象导致的不稳定状态，同时又从电路仿真和理论分析这两方面提出延迟微分反馈控制策略。除此之外，龚仁喜等通过运用参数微扰理论和滑模控制理论实现了对 中混沌现象的控制。本文以电流模式控制 为例，设计了其电路参数，并仿真分析了关键电路参数对变换器稳定性的影响。根据 的工作原理，定量分析了各状态变量间的数学关系，设计并确定了 电感犔、电感犔、输出电容犆、耦合电容犆等主要电路参数，搭建 （）仿真电路模型，并仿真分析关键电路参数对 的稳定性影响，为电源管理技术的研究提供理论支撑。相关理论概述 工作原理 既能实现升压功能又能实现降压功能，而且与 变换器相似，属于正输出变换器，即输出电压极性和输入电压极性不反相。除此之外，还有以下两个优点：图 原理图 ）的输入和输出均采用电容隔离，从而可以保护开关电路的电源和负载；）可以从电源获取连续、平滑的输入电流。的原理图如图所示，从图中可以看出其电路是由输入电压犞、开关管、二极管、电容犆和犆、电感犔和犔组成。模态分析当 工作在 模式时，其在一个工作周期内存在两种开关模态，分为开关模态和开关模态，这是由加在开关管上的驱动信号所决定的。当加在开关管上的驱动信号为高电平时，开关管导通；当加在开关管上的驱动信号为低电平时，开关管关断。上述两种工作模态下的等效电路分别对应图（）和图（）所示。图 在一个周期内的两种开关模态 ）开关模态：当加在开关管上的驱动信号为高电平时，开关管导通、二极管截止。此时，变换器有个回路，第一个是由输入电压犞、犔和构成的回路，在犞 作用下，电感电流犻犔线性增长；第二个是由犆、和犔构成的回路，犆通过和犔放电，犻犔增长；第三个回路是由犆和负载犚构成的供电回路，犆电压下降，因犆较大，故犞犆犞。开关管导通时两电感电流上升斜率仅由犞 决定，犻犔和犻犔的下降斜率分别为：犻犔狋犞 犔犻犔狋犞 犔（）当开关管导通时，流过它的电流为：犻犻犔犻犔（）开关模态：当加在开关管上的驱动信号为低电平时，开关管关断，二极管导通。此时，变换器具有两个回路。第一个是由输入电压犞、犔、犆、和负载犚构成的回路，电源和电感犔储能，同时向犆和负载馈送，犆储能增加，犆充电，而犻犔减小；第二个回路是由犔、和负载犚构成的续流回路，犔将开关管导通时间内的通过转化电感电流犻犔得到的磁能作为能量提供给负载，所以电感电流犻犔会减小。故二极管的电流犻也是电感电流犻犔和电感电流犻犔之和，即犻犻犔犻犔。这时犻犔和犻犔的下降斜率分别为：犻犔狋犞 犞犆犞狅犔犻犔狋犞狅犔（）当开关管截止时流过电感犔、犔的电流下降率分别为：年 王宾：基于电流模式控制的 的设计与仿真研究第期犻犔狋犞狅犔犻犔狋犞狅犔（）二极管导通时，流过二极管的电流为：犻犇犻犔犻犔（）开关管和二极管承受的电压为：犞犞犞 犞狅犞 犇犞狅犇（）电源的输入电流犐 与 的次侧级电感犔中的电流的平均值犐犔相等，即：犐 犐犔（）电路建模利用 软件，搭建峰值电流模式控制 仿真电路，实际上就是完成构成该仿真电路的主电路、驱动电路、控制电路和采样电路这部分电路的搭建工作，其建模步骤如下。）创建 仿真文件。打开 应用程序，新建 文件，保存在指定的位置并命名为“”。）搭建主电路。依照 电路原理图，在菜单的元件库“”栏或者快捷键中找到电源犈、电感犔、二极管、开关管、电容犆和负载电阻犚等电路元件，放置好元件后，再把每个元件根据对应的关系依次画线连接起来构成主电路。）搭建采样电路和驱动电路。在元件库“”中找到电流传感器 和开关管，主电路与控制电路之间的连接就是通过这两个元器件来实现的。）搭建控制电路。首先在菜单“”栏或快捷键中找到所需的元器件：比较器、两个或非门、参考电压犞 、时钟信号 ，再按照电路的工作原理把各个元器件连接起来构成控制电路。）设置仿真步长和仿真时间。在“”（仿真）栏中，点击按钮“”，设定仿真步长为 （即 的负七次方），仿真时间为 。）电路参数选择。峰值电流模式控制 应用过程中，电路中的时钟信号频率犳（）、占空比犇（）、耦合电容犆（）和输出电容犆（）的电容值等参数在设定好后，就固定好不能再改动；而输入电压犈、电感犔（其中电感犔与电感犔保持一致变化且相等）、参考电流犐 、负载电阻犚等参数在进行仿真分析时会进行改动。）在已经搭建好的峰值电流模式控制 仿真电路中，可以在相应元件处并联电压表或者串联电流表，分别测量出相应元件的电压或电流。结果分析 输入电压对稳定边界的影响 犈犔平面的稳定边界设定电感犔的值范围为 ，输入电压犈的值范围为 ，同时确定负载电阻犚为、参考电流犐 为，并保持不变。图（）所示的就是峰值电流模式控制 的犈 犔稳定边界。从图中可以看出：当电感犔和输入电压犈不断增加时，峰值电流模式控制 的不稳定区域也随之在不断增大。故当电感犔和输入电压犈均较小时，峰值电流模式控制 能够工作得更稳定。犈 犚平面的稳定边界设定负载电阻犚的值范围为，输入电压犈的值范围为，同时设定好电感犔的值为 ，参考电流犐 的值为。图（）所示的就是峰值电流模式控制 的犈 犚稳定边界。从图中可以看出，在犈 犚稳定边界中：当负载电阻犚较小，输入电压犈较小时，峰值电流模式控制 的稳定区域较大。而随着负载电阻犚增大，输入电压犈增大，峰值电流模式控制 的稳定区域也在不断减太原学院学报（自然科学版）第 卷小。因此，在负载电阻犚较小和输入电压犈较小时，变换器工作更稳定。犈犐 平面的稳定边界设定参考电流犐 的值范围为 ，输入电压犈的值范围为 ，同时设定好负载电阻犚为，电感犔为 ，并保持不变。图（）所示的就是峰值电流模式控制 的犈 犐 稳定边界。从图中可以看出：随着参考电流犐 增加，输入电压犈增加，峰值电流模式控制 的稳定区域也在不断减小。因此，在参考电流犐 和输入电压犈较小时，峰值电流模式控制 工作更稳定。图输入电压与各参数的稳定边界 参考电流对稳定边界的影响图犐 平面上的稳定边界 犐 犚 设定负载电阻犚的值范围为 ，参考电流犐 的值范围为：，同时设定好输入电压犈为，电感犔为 ，并保持不变。图所示的就是峰值电流模式控制 的犐 稳定边界。从图中可以看出：当负载电阻犚较小，参考电流犐 较小时，峰值电流模式控制 的稳定区域较大；随着负载电阻犚增大，参考电流犐 增大，峰值电流模式控制 的稳定区域也在不断减小。故当负载电阻犚和参考电流犐 均较小时，峰值电流模式控制 工作更稳定。电感对稳定边界的影响 犔犚平面的稳定边界设定负载电阻犚的值范围为：，电感犔的值范围为 ，同时设定好输入电压犈为，参考电流犐 为，并保持不变。图所示的就是峰值电流模式控制 的犔稳定边界。从图中可以看出：当负载电阻犚较小，电感犔较大时，峰值电流模式控制 的不稳定区域较大；随着负载电阻犚增大，电感犔减小，峰值电流模式控制 的稳定区域也在不断增大。故当负载电阻犚较大和电感犔较小时，峰值电流模式控制 工作更稳定。犔 平面的稳定边界设定参考电流犐 的值范围为 ，电感犔的值范围为 ，同时设定好输入电压犈为，负载电阻犚为，并保持不变。图（）所示的就是峰值电流模式控制 的犔 稳定边界。从图中可以看出：当参考电流犐 较小和电感犔较大时，峰值电流模式控制 的不稳定区域较大；而随着参考电流犐 增大，电感犔减小时，峰值电流模式控制 的稳定区域也在不断增大。故当参考电流犐 较大和电感犔较小时，峰值电流模式控制 能够工作得更稳定。综上所述，个电路参数为变量的犈 犔稳定边界、犈 犚稳定边界、犈 犐 稳定边界、犐 稳定边界、犔稳定边界和犔犐 稳定边界。在进行峰值电流模式控制 的设计工作时，这个稳定边界对电路参数的选取有所帮助，即电路参数可选取在稳定区域所对应的坐标轴数值，这样可使峰值电流模式控制 工作在稳定状态，尽可能地避免工作在不稳定状态的情况出现。年 王宾：基于电流模式控制的 的设计与仿真研究第期图电感与各参数的稳定边界 结束语近年来，随着电子技术的快速发展，各类便携式电子设备、可穿戴设备在人们的生活中得到了广泛的使用。因具有升降压功能、输入输出电流脉动小、输入输出电压极性相同等特点，因而被广泛地应用于电池供电的便携式电子设备中。通过 软件来搭建峰值电流模式控制 电路仿真模型，仿真分析了输入电压犈、电感犔、参考电流犐 、负载电阻犚等个关键电路参数对峰值电流模式控制 变换器工作稳定性的影响，并且给出了变换器电路工作在不稳定和稳定状态时的仿真时域波形图和相轨图，同时说明峰值电流模式控制 的稳定性会随着输入电压犈、电感犔、参考电流犐 的增大而提升，以及稳定性会随着负载电阻的减小而提升。绘制出以上述个电路参数为变量的犈 犔稳定边界、犈 犚稳定边界、犈 犐 稳定边界、犐 稳定边界、犔稳定边界和犔 犐 稳定边界。参考文献：张钟，徐玉珍基于耦合电感的零纹波高增益组合式 变换器电器与能效管理技术，（）：，荣德生，黄鹤，孙蠧新型高增益耦合电感组合 变换器电源学报，（）：祝熙彤，孙蠫擎，周诺，等电压模式 变换器变论域模糊 控制太赫兹科学与电子信息学报，（）：刘芳，李岩，王福平滞环电流控制 变换器中低频不稳定现象分析兰州理工大学学报，（）：王浩宇，董学育，朱建忠对电流模式控制 变换器的混沌控制研究电子设计工程，（）：龚仁喜，王奇，黎洛琦一种基于滑模变结构的电压型 变换器混沌控制方法 电测与仪表：刘怡宁基于 电路的高频高升压比 变换器研究哈尔滨：哈尔滨工业大学，沈黎韬，陶雪慧，杨斌 模式 和 功率因数校正电路对比分析电子技术应用，（）：，周国华，许建平开关变换器调制与控制技术综述中国电机工程学报，（）：田志坚 变换器中的非线性现象及其控制阜阳师范学院学报（自然科学版），（）：太原学院学报（自然科学版）第 卷犇 犲 狊 犻 犵 狀犪 狀 犱犛 犻 犿 狌 犾 犪 狋 犻 狅 狀狅 犳犛 犈 犘 犐 犆犅 犪 狊 犲 犱狅 狀犆 狌 狉 狉 犲 狀 狋犕 狅 犱 犲犆 狅 狀 狋 狉 狅 犾犠犃 犖 犌犅 犻 狀（犛 犮 犺 狅 狅 犾 狅 犳犈 犾 犲 犮 狋 狉 狅 狀 犻 犮犈 狀 犵 犻 狀 犲 犲 狉 犻 狀 犵，犃 狀 犺 狌 犻犞 狅 犮 犪 狋 犻 狅 狀 犪 犾犆 狅 犾 犾 犲 犵 犲狅 犳犈 犾 犲 犮 狋 狉 狅 狀 犻 犮 狊牔犐 狀 犳 狅 狉 犿 犪 狋 犻 狅 狀犜 犲 犮 犺 狀 狅 犾 狅 犵 狔，犅 犲 狀 犵 犫 狌 ，犆 犺 犻 狀 犪）犃 犫 狊 狋 狉 犪 犮 狋：，犔，犔，犆，犆 ，犓 犲 狔 狑 狅 狉 犱 狊：；（责任编辑：巩利平）年 王宾：基于电流模式控制的 的设计与仿真研究第期