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Buck变换器的状态离散时间模型及其极限电压响应控制策略研究

张明 邹谦 罗雷明 刘宁宇 张凡武 雷鹏

张明,邹谦,罗雷明,等.Buck变换器的状态离散时间模型及其极限电压响应控制策略研究[J]. 微电子学与计算机,2023,40(6):100-108 doi: 10.19304/J.ISSN1000-7180.2022.0465
引用本文: 张明,邹谦,罗雷明,等.Buck变换器的状态离散时间模型及其极限电压响应控制策略研究[J]. 微电子学与计算机,2023,40(6):100-108 doi: 10.19304/J.ISSN1000-7180.2022.0465
ZHANG M,ZOU Q,LUO L M,et al. Research on state discrete time model of buck converter and its limit voltage response control strategy[J]. Microelectronics & Computer,2023,40(6):100-108 doi: 10.19304/J.ISSN1000-7180.2022.0465
Citation: ZHANG M,ZOU Q,LUO L M,et al. Research on state discrete time model of buck converter and its limit voltage response control strategy[J]. Microelectronics & Computer,2023,40(6):100-108 doi: 10.19304/J.ISSN1000-7180.2022.0465

Buck变换器的状态离散时间模型及其极限电压响应控制策略研究

doi: 10.19304/J.ISSN1000-7180.2022.0465
基金项目: 国家自然科学基金项目(62074067)
详细信息
    作者简介:

    张明:男,(1980-),硕士,高级工程师. 研究方向为电力电子技术

    罗雷明:男,(1996-),硕士研究生. 研究方向为功率集成电路设计

    刘宁宇:男,(1993-),工程师. 研究方向为电力电子技术

    张凡武:男,(1968-),硕士,研究员级高级工程师. 研究方向为电力电子技术

    雷鹏:男,(1987-),工程师. 研究方向为电力电子技术

    通讯作者:

    男,(1997-),硕士研究生. 研究方向为功率集成电路设计. E-mail:m202072609@hust.edu.cn

  • 中图分类号: TN702

Research on state discrete time model of buck converter and its limit voltage response control strategy

  • 摘要:

    为了提高开关电源变换器的建模精度和控制性能,提出了一种状态切换离散时间模型(State Switching Discrete time Model,SSDM).该模型在建模时考虑的是每个开关周期内的状态,而不是变换器的平均状态,故在高频下其精度比传统的状态平均模型更高. 基于开关持续时间的全微分方程,精确计算一个周期内的电感电流和输出电压,从而推导出SSDM. 此外,通过SSDM推导出极限电压响应(Limiting Voltage Response,LVR)控制策略.该策略通过电压预测计算出合适的占空比,以在最小开关周期内将输出电压调节为参考值. 通过这种策略,变换器不仅实现了非常快的负载/线路瞬态响应和参考跟踪速度,而且在偏差电感下表现出很高的稳定性. 最后,通过频率响应分析和实验验证了SSDM的准确性和系统的稳定性. 实验结果表明,在不同工况下,LVR控制策略下的输出电压瞬态响应时间相比传统控制策略下的输出电压瞬态响应时间缩短了70%以上;当电感值偏离23%时,在LVR控制策略下的输出电压仍然保持稳定.

     

  • 图 1  Buck变换器

    Figure 1.  Buck converter

    图 2  极限电压响应(LVR)控制下的buck变换器方案

    Figure 2.  Scheme of the buck converter under Limit voltage response (LVR) control

    图 3  LVR控制下的输出电压

    Figure 3.  Output voltage under LVR control

    图 4  带积分补偿的LVR控制

    Figure 4.  LVR control with integral compensation

    图 5  当IT从0变为1时Φ(z)的根轨迹

    Figure 5.  Root locus of Φ(z) when IT changes from 0 to 1

    图 6  具有积分补偿和消除DPWM饱和的实用LVR控制器

    Figure 6.  Practical LVR controller with integral compensation and eliminated DPWM saturation

    图 7  稳态下的输出电压,其中d[k+1]=1d[k+1]=0

    Figure 7.  Output voltage under a steady state, where d[k + 1] = 1 and d[k + 1] = 0

    图 8  SSDM、SADM和电路模型下从d到vout,s的频率响应

    Figure 8.  Frequency response from d to vout,s under the State Switched Discrete-time Model (SSDM), State Averaged Discrete-time Model (SADM), and circuit model

    图 9  SSDM、SADM和电路模型下从vinvout,s的频率响应

    Figure 9.  Frequency response from vin to vout,s under the SSDM, SADM, and circuit model

    图 10  SSDM、SADM和电路模型下从Rvout,s的频率响应

    Figure 10.  Frequency response from R to vout,s under the SSDM, SADM, and circuit model

    图 11  电路模型和等效模型的频率响应

    Figure 11.  Frequency responses of the circuit model and the equivalent model

    图 12  当R从10 Ω到5 Ω时的瞬态电压和电流

    Figure 12.  Transient voltage and current when R steps from 10 to 5 Ω

    图 13  vin从12 V到9.5 V时的瞬态电压和电流

    Figure 13.  Transient voltages and current when vin steps from 12 to 9.5 V

    图 14  vREF从5 V到6 V时的瞬态电压和电流

    Figure 14.  Transient voltages and current when vREF steps from 5 to 6 V

    图 15  R从5 Ω到10 Ω时,LVR控制下的输出电压瞬变

    Figure 15.  Output voltage transients under DPVP control when R steps from 5 to 10 Ω

    图 16  vin从12 V到9.5 V时,LVR控制下的输出电压瞬变

    Figure 16.  Output voltage transients under DPVP control when vin steps from 12 to 9.5 V

    图 17  vREF从5 V到6 V时,LVR控制下的输出电压瞬变

    Figure 17.  Output voltage transients under DPVP control when vREF steps from 5 to 6 V

    表  1  式(4)中的变量

    Table  1.   Variables in Equation (4)

    $ {a_{11}} $$ {e^{\alpha T}}[cos(\beta T) - \alpha sin(\beta T)/\beta ] $
    $ {a_{12}} $$ - {e^{\alpha T}}sin(\beta T)/(L\beta ) $
    $ {a_{21}} $$ {e^{\alpha T}}sin(\beta T)/(\beta C) $
    $ {a_{22}} $$ {e^{\alpha T}}[\alpha sin(\beta T)/\beta + cos(\beta T)] $
    $ {b_1} $$ {e^{\alpha T}}\{ - cos(\beta T)/R + \alpha sin(\beta T)/(R\beta ) + sin(\beta T)/(L\beta )\} $
    $ {b_2} $$ {e^{\alpha T}}\{ \alpha sin(\beta T)/\beta - cos(\beta T)\} $
    下载: 导出CSV

    表  2  buck变换器的规格

    Table  2.   Specifications of the buck converter

    L/µHC/µFRvout/Vvin/VT/µs
    4720551210
    下载: 导出CSV
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  • 收稿日期:  2022-08-04
  • 修回日期:  2022-10-11

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