电荷控制多相交错并联Buck变换器研究

摘要

以脉冲电流供电的负载要求供电电源具有高稳流精度、快速的负载瞬态响应、低输出电流/电压纹波和大电流输出等特性。多相交错并联 Buck 变换器因其拓扑结构所具有的优势，在脉冲电流源领域得到了广泛应用。将多相交错并联Buck变换器与合适的控制方法相结合，可使变换器具有优越的瞬态性能和稳定性，满足负载对供电电源的要求。因此，研究应用于脉冲电流源场合的多相交错并联Buck变换器及其控制技术具有重要意义。 本文将电流型控制与交错并联Buck变换器相结合，分别建立了峰值电流控制与电荷控制的小信号模型，并根据两者小信号模型的异同，提出了这两种控制技术的统一小信号模型。在统一小信号模型的基础上，通过频域分析与时域分析相结合的方式，对比分析了这两种控制方法下变换器的稳定性和瞬态性能，从理论上证明了电荷控制比峰值电流控制具有更宽的稳定范围和更优的瞬态性能。最后通过仿真和实验验证了理论分析的正确性。 本文将基于脉冲宽度调制(Pulse Width Modulation，PWM)的调光策略与电荷控制交错并联 Buck 变换器相结合，使变换器输出具有快速上升沿/下降沿的脉冲电流。分析了两种PWM调光策略(两电平调光策略和开关管调光策略)下变换器的工作原理；并通过仿真和实验结果对比分析了变换器采用这两种调光策略的瞬态性能。研究结果表明：在两电平调光策略下，变换器输出电流的上升/下降过程平稳缓慢；在开关管调光策略下，变换器输出电流的上升/下降过程迅速，但上升沿有微小过冲。 最后，为了抑制电荷控制交错并联Buck变换器中的不均流现象，本文推导了包含开关管导通电阻、积分电容等参数的电感电流平均值表达式，分析了产生不均流现象的原因。将同步开关管零电压导通(Zero Voltage Switch，ZVS)的均流控制方法与电荷控制交错并联Buck变换器相结合，详细介绍了其工作原理，并对其进行了仿真分析。在同步开关管ZVS均流控制方法的基础上，针对并联电容小和重载条件下均流效果不高的缺陷，提出了一种改进的同步开关管ZVS均流控制方法，进一步抑制了不均流现象，显著改善了轻载和重载情况下的均流效果。通过仿真对比了改进前后的均流效果，验证了理论分析的正确性。

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