Boost变换器中右半平面零点的改善

陈琳+汪汇+阳淡雅+王辉+闫跃跃

摘 要

工作在电流连续模式下的Boost变换器控制-输出传递函数中存在右半平面零点，系统带宽受到限制，穿越频率降低，也没有足够的相位裕度，从而影响系统稳定。根据右半平面零点的实质，本文从主电路结构和控制方法两个方面，研究消除右半平面零点或减轻其影响的方法，对优化DC-DC变换器性能有指导意义。

【关键词】Boost变换器 右半平面零点 穿越频率 相位裕度

1 右半平面零点的实质

由于在Boost变换器中，不存在实际的LC滤波结构。在开关管关断时间（Toff）内，只有储能电感向负载提供能量，而在开关管导通时间（Ton）内，输入电压只向电感储能，不向负载提供能量。电感电流连续时，Ton+Toff=Ts。如果负载电流增加，导通时间Ton会加长，则关断时间Toff减小。由于负载电流完全由Toff阶段的电流平均值提供，这样输出的平均电流会减小，负载电压会降低。因此，由于存在RHPZ，输出电压在负载电流增大时首先会下降，经过一定的时间才能恢复到稳定值。RHPZ在幅频曲线上贡献+20dB/dec的斜率，但在相頻坐标上为90°滞后。

2 改善右半平面零点的方法

2.1 拓扑结构改进

在主电路中增加元器件，使得在有源开关管导通的时间内，输入可以给负载提供能量。

2.1.1 增加耦合电感

增加耦合电感的新型Boost变换器结构具有如下特性：

（1）与传统Boost变换器的电压转换比相同：V0=Vg/（1-D）；

（2）当开关S导通时，输入电压通过耦合电感向输出提供能量，所以可消除右半平面零点；

（3）电感L0使电流连续；

（4）MOSEFET的漏端接地；

具备以上4个特点的新型Boost变换器，是一个没有右半平面零点限制带宽的最小相位系统。如图1所示。

2.1.2 三态Boost变换器

当Boost变换器工作在DCM时，右半平面零点消除，若要求CCM下右半平面零点消失，则可以增加一个辅助功率管和一个二极管，使变换器在一个周期内具有类似DCM的三种状态，这种新型的消除Boost变换器RHPZ影响的结构称为三态Boost变换器。如图2所示。

在一个开关周期 内，三种工作状态：

（1）s导通，Sf关断，电容放电、电感电流上升阶段，此时占空比为D1。

（2）S关断，Sf关断，电容充电、电感电流下降阶段，此时占空比为D2。

（3）S关断，Sf导通，二极管Df续流阶段，此时占空比为D3。增加一个占空比控制量D3后，得到的三态变换器的传递函数中不存在右半平面零点。

2.2 控制方法的改进

改善变换器的拓扑结构是以增加主电路元件为代价，会引起一定的功率损耗。在电路设计中，我们经常选取基本拓扑结构，通过控制电路解决实际问题。

2.2.1 自适应电压定位控制

采用AVP控制技术的Boost变换器如图3所示。

采用自适应下拉电阻技术（Adaptive Droop Resistance Technique，ADR），通过调节下拉电阻值，以牺牲增益为代价，一方面实现AVP控制的输出阻抗恒定，另一方面解决RHPZ的影响。

2.2.2 改进型迟滞电流控制

改进的迟滞电流控制技术，增加一个误差放大器形成电压环路以提高稳压精度，如图4所示。

迟滞电流控制技术中的误差放大器包含一个自适应补偿控制模块，由自适应电阻RZ1和电容CC1组成。

2.2.3 固定占空比控制

固定占空比控制技术（SDC），同样能减轻Boost变换器右半平面零点的影响，增大带宽以实现快速响应。SDC技术主要由可变瞬态增强电路（VTE）和自适应迟滞窗口调制器（AHW）组成，当占空比变大时，右半平面零点向原点移动，输出电压存在暂降现象。因此，SDC方法的基本思想是：负载瞬态变化时，通过增大开关管的导通和关断时间，保持占空比恒定，减小下冲电压。

参考文献

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[3]Huang H H，Chen C L，Wu D R，et al. Solid-Duty-Control Technique for Alleviating the Right-Half-Plane Zero Effect in Continuous Conduction Mode Boost Converters[J].Power Electronics，IEEE Transactions on， 2012，27（01）：354-361.

作者单位

安徽农业大学经济技术学院 安徽省合肥市 230000endprint