开关变换器调制与控制技术探讨李月山

开关变换器调制与控制技术探讨李月山

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东华大学信息科学和技术学院丰郅（上海）新能源科技有限公司上海市201100

摘要：开关电源以其体积小、重量轻和效率高的优点而得到了越来越广泛的应用和重视。开关变换器能够将一种直流电能转换成另一种或多种直流电能，是直流开关电源的主要组成部分。开关变换器与控制电路相互配合，共同工作，因此，研究开关变换器调制与控制技术具有重要意义。本文简单分析了开关变换器结构及分类，并探讨了具体的调制与控制技术。

关键词：开关变换器；开关电源；调制与控制技术

引言

在科学技术的推动下，开关变换器技术不断创新完善，实现了功耗小、电能转换率高、体积小、稳压范围宽等优点。开关DC-DC变换器作为一类重要的电能转换电路，随着人们对电能质量要求的不断提高，对其工作性能的要求也逐渐提高。另一方面，随着集成电路以及微处理器芯片的快速发展，要求对其供电的开关变换器具有更高的性能。为了提高开关DC-DC变换器的工作性能，其调制与控制技术受到了越来越多的关注和重视，国内外学者取得了大量的研究成果，根据不同的分类标准，将控制技术进行多种分类。为了充分了解并合理应用各类控制技术，加强开关变换器及其调制与控制技术的分析是十分重要的。

1开关变换器简介

1.1基本结构

开关变换器是以功率半导体开关器件为核心的高频功率电子电路，它是将一种直流电能转换成另一种或多种直流电能的变换器，是直流开关电源的主要部分。这类变换器也称为直流—直流开关变换器。一个典型的直流—直流变换器结构原理框图如图1所示。图中Vi为输入直流电源，V0为负载输出电压。V0的大小由功率开关管的导通时间来控制，当V0小于Vi时，开关变换器为降压变换器；当V0大于Vi时，开关变换器为升压变换器，图中控制信号表示驱动电路对开关管的控制作用，即控制从开关变换器的输入端到负载端传输的能量。

图1直流—直流变换器的结构原理图

1.2主要分类

开关变换器按工作原理可以分为两种，即非谐振型变换器和谐振变换器。非谐振型开关变换器的控制方式可以分为三种：第一，脉冲宽度调制，指功率半导体开关器件的开关频率不变，通过改变导通时间（即占空比）来实现对输出电压的控制；第二，脉冲频率调制，指功率半导体开关器件的导通时间恒定，通过改变开关频率来实现对输出电压的控制，这种控制方式要求滤波电路能够适应较宽的频段。谐振型变换器含有一个LC谐振槽路。在一个开关周期中，或多个开关周期中，谐振槽路中各电量为正弦量，或者有用的成分为正弦量。谐振变换器是依靠改变开关网络的工作频率实现对输出电压或电流的控制，因此它是一种变频控制的谐振型开关变换器，简称为谐振型开关变换器，像PWM型开关变换器一样，谐振型开关变换器也是一种强非线性、离散的病态系统。

2开关变换器调制与控制技术

2.1恒频控制和变频控制

按照占空比的实现方式，开关变换器的控制技术可以分为恒频控制和变频控制。恒频控制即开关周期恒定不变，通过调整一个开关周期内功率器件的导通时间（脉冲宽度）来调节输出电压，即通常所说的脉宽调制（PWM）技术，变频控制即保持开关管导通时间或者关断时间不变，或者开关管导通时间和关断时间均改变，即通过改变开关频率来调节输出电压，常称为脉冲频率调制（PFM）技术。PFM有恒定导通时间（COT）、恒定关断时间（CFT）和滞环3种方式。与PWM调制相比，PFM调制的瞬态性能好、轻载效率高，但是稳压精度差。

2.2单环控制、双环控制和三环控制

按照控制环路中的反馈信号，开关变换器的控制技术可以分为单环控制、双环控制和三环控制。第一，单环控制主要指电压型控制，传统的电压型控制是开关变换器中最常用的控制技术，它具有实现简单，抗干扰能力强的优点，但受误差放大器速度的影响，输入和负载瞬态响应慢；第二，双环控制则有峰值电流控制、平均电流控制、谷值电流控制等，峰值电流控制具有比电压型控制更快的输入瞬态响应速度，易于实现变换器的过流保护，但不能精确控制电流，负载瞬态响应速度没有得到改善，平均电流控制提高电流的控制精度，抗干扰性强，但负载瞬态响应速度比峰值电流控制慢，谷值电流控制具有快速的输入瞬态性能，但负载瞬态性能依然没有得到提高；第三，三环控制主要有V2C控制，具有快速的输入、负载瞬态响应速度，且具有限流功能。

2.3模拟控制和数字控制

按照控制电路采用模拟或数字器件方式，开关变换器的控制技术可分为模拟控制和数字控制。模拟控制的控制单元包含模拟补偿网络、脉冲调制器和斜坡信号；数字控制的控制单元包含有模数转换器（ADC）、数字补偿器以及数字脉冲宽度调制器（DPWM）。分析模拟控制的开关DC-DC变换器时，通常建立其小信号模型，推导闭环的传递函数，再根据传递函数对变换器的性能进行分析。与模拟控制不同，数字控制电路中包含有采样保持器，通常在一个开关周期开始时采样电路中的电压值（或者电流值），并保持一个开关周期，即数字控制是离散的控制技术，对应于电路系统的离散时间模型。

结束语

总而言之，作为开关电源设计的关键环节，开关变换器控制技术是目前的研究热点之一。本文在对已有开关变换器控制技术研究成果进行归纳、分类、总结和系统化的基础上，分别从不同控制技术的工作原理、实现方法、优劣势等多个方面进行了分析，为开关变换器控制技术的应用提供参考。

参考文献：

[1]王金平，许建平，秦明，牟清波.开关DC-DC变换器双频率脉冲序列调制技术[J].中国电机工程学报，2010，30（33）：1-8.

[2]兰燕妮，王金平，高玉，许建平.开关变换器的双频率PWM调制技术研究[J].电力电子技术，2010，44（07）：79-80.

[3]陈亚爱，张卫平，周京华，刘坤.开关变换器控制技术综述[J].电气应用，2008，（04）：4-10.