双环电流型PWM控制器工作原理

1 双环电流型PWM控制器工作原理

双环电流型脉宽调制( PWM) 控制器是在普通电压反馈PWM 控制环内部

增加了电流反馈的控制环节,因而除了包含电压型PWM 控制器的功能外,还能检

测开关电流或电感电流,实现电压电流的双环控制。双环电流型PWM控制器电路原理如图1 所示。

从图1 可以看出,电流型控制器有两个控制闭合环路:一个是输出电压反馈

误差放大器A ,用于与基准电压比较后产生误差电压;另一个是变压器初级(电感) 中电流在Rs 上产生的电压与误差电压进行比较,产生调制脉冲的脉宽,使得误

差信号对峰值电感电流起着实际控制作用。

系统工作过程如下:假定输入电压下降,整流后的直流电压下降,经电感

延迟使输出电压下降,经误差放大器延迟,Vea上升,占空比变化,从而维持输出

电压不变,在电流环中电感的峰值电流也随输入电压下降,电感电流的斜率

di/dt 下降, 导致斜坡电压推迟到达Vea ,使PWM占空比加大,起到调整输出电

压的作用。由于既对电压又对电流起控制作用,所以控制效果较好在实际中得到广泛应用。

2 双环电流型PWM控制器的特点

a) 由于输入电压Vi 的变化立即反映为电感电流的变化,不经过误差

放大器就能在比较器中改变输出脉冲宽度(电流控制环) ,因而使得系统的电压

调整率非常好,可达到0.01 %/V ,能够与线性移压器相比。

b) 由于双环控制系统内在的快速响应和高稳定性,反馈回路的增益较高,不会造成稳定性与增益的矛盾,使输出电压有很高的精度。

c) 由于Rs 上感应出峰值电感电流,只要Rs 上电平达到1 V ,PWM控制器就立即关闭,形成逐个脉冲限流电路,使得在任何输入电压和负载瞬态变化时,功率开关管的峰值电流被控制在一定范围内,在过载和短路时对主开关管起到有效保护。

d) 误差放大器用于控制,由于负载变化造成的输出电压变化,使得当负载减小时电压升高的幅度大大减小,明显改善了负载调整率。

e) 由于系统的内环是一个良好的受控电流放大器,所以把电流取样信号转

变成的电压信号和一个公共电压误差放大器的输出信号相比较,就可以实现并联均流,因而系统并联较易实现。

3 双环电流型PWM控制器功率因数校正

正是基于以上特点,电流型PWM 控制器在实际应用中被越来越广泛地

采用。对它采用功率因数校正技术,可以有效地减少高次谐波对电网的干扰,减小功耗,具有较大的实际意义。

3.1 功率因数校正方法

功率因数校正主要有两种方法:一种是将电网上公用负载端并接一个专用的功率变换器,对无功和谐波进行补偿;另一种是将负载的整流电路与滤波电容之间增加一个功率变换电路,将输入电流校正成与电网电压相近的正弦波。实现功率因数校正在CCM 和DCM下可采用乘法器和电压跟随器实现,框图如图2所示。

3.2 电流型PWM控制器功率因数校正方法

由于乘法器的价格昂贵,改用加法电路来实现乘法器的功能。为了使电感电流的包络为正弦,必须使电流检测比较器反相输入端的输入电压为正弦馒头波,基本电路如图3 所示。

当N1 负端加上电整流取样而得到正弦馒头波时,经二极管降压及电阻分压,加到电流感应比较器负端信号为1/3 的正弦馒头波,从而使电感电流的包络正弦化。当然,在实际使用中还需要进行闭环控制,才能够得到稳定的输出电压。

4 电流型PWM控制器斜坡补偿方法

4.1 峰值电流与平均输出电感电流

由于功率开关管的峰值电流由PWM 控制器保持恒定控制,也就是说,电感的峰值电流也保持恒定,但直流输出电压正比于输出电流平均值而不是峰值电流,当输入电压减小时,为了使电流恒定,占空比将调节为δ2 ,这时平均电流将上升为I2 ,输出电压也将上升。在电压型控制器中将不会出现这种问题,但在电压型控制器件下,仅有输出电压得到控制。因此,为了解决以上问题,在电流型控

制器中需采用斜坡补偿加以解决。为了维持一个恒定的平均电流(输出电压) ,要求有一个与占空比无关的电流波形补偿斜坡,当( Ns/Np ) Rs ( m2/2) = m 成立时,输出电感平均电流与Ton无关,则保持了输出电压恒定。如图4 所示。

4.2 斜坡补偿的实现

斜坡补偿可以用图5 所示电路来实现。一般,R1的阻值预先设定,再计算R2 的阻值,很重要的一点是R2 的阻值应足够高,以避免使振荡器产生振荡频率漂移。

从斜坡端接电阻R2 至电流感应端,这时Rs 上的感应电压增加斜坡的斜率与平滑的误差电压进行比较,这在占空比达到50 %以上时非常有效。R2 阻值的一般计算步骤如下:

a ) 计算次级电感下斜坡: S1 = di/dt ( 单位为A/μs) ;

b) 计算初级电感下斜坡: S2 = S1 Ns/Np (单位为A/μs) ;

c) 计算检测电阻上的斜坡电压: V1 = S2 Rs (单位为V/μs) ;

d) 计算定时电容器CT 上的振荡器斜坡电压: S =dVosc/Ton (单位为

V/μs) ;

e) 若令斜坡补偿量M = 0.75 ,R1 的阻值R1 设为1 kΩ ,则R2 = R1 ( Vs/VS2 ) M。

5 结束语

随着电流型PWM 控制器被越来越广泛地应用,正确掌握使用方法可以节约大量设计时间,并能取得较好的设计效果,因而是使用这一类控制器必须注意的问题。