虚拟电感电流补偿纹波控制Buck变换器的统一模型与优化设计

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虚拟电感电流(Virtual Inductor Current,VIC)补偿的纹波控制方式在使用陶瓷电容的Buck变换器芯片中得到了广泛的应用。VIC补偿是为了解决低等效串联电阻引起的次谐振荡的问题。然而,在瞬态响应中,VIC带来的低频欠阻尼振荡恶化了动态性能。以往的研究基于线性VIC斜率的假设,建立的模型不能预测低频欠阻尼振荡。此外,现有的模型难以拓展到其它类型的VIC。因此,本文建立了VIC补偿纹波控制Buck变换器的统一模型,提供了优化设计方案。首先,提出了VIC的频域解析式。把开关节点当作与电感电流和输出电压相关的激励源,基于叠加原理,得到了VIC关于电感电流和输出电压的频域解析式。研究发现,VIC信号包含电感电流和输出电压的比例信号,以及虚拟低通滤波器的信号。相比于现有的时域分析法,提出的频域解析式揭示了VIC中的虚拟低通滤波器,具有更高的精度且易于拓展到所有类型的VIC补偿方式。接着,提出了VIC补偿纹波控制Buck变换器的统一模型。基于VIC的频域解析式,将VIC信号分为了包含电感电流反馈和输出电压反馈的内环,以及包含虚拟低通滤波器的外环。再基于描述函数法得到的内环的模型,建立了VIC补偿纹波控制Buck变换器的统一模型。相比于现有的模型,提出的模型克服了不能预测低频欠阻尼振荡的问题,具有更高的精度,而且可以拓展到所有类型的VIC补偿方式。然后,提出了VIC补偿纹波控制Buck变换器的优化设计方案。研究发现,虚拟低通滤波器带来了移动的双极点。当虚拟电感电流采样增益增加时,双极点移动到低频区域,如果品质因数较大,会导致低频欠阻尼振荡。因此,通过控制品质因数小于0.5,提出了解决低频欠阻尼振荡的优化设计方案。仿真和实验验证了所提的优化设计方案能解决瞬态响应中的低频欠阻尼振荡。最后,将所提的统一模型拓展到了VIC补偿交错并联Buck变换器。基于VIC的解析式,把交错并联Buck变换器等效为了单相Buck变换器,然后基于提出的统一模型,得到了VIC补偿交错并联Buck变换器的小信号模型。研究发现,随着相数的增加,低频双极点的品质因数也增加。基于对品质因数的控制,提出了解决低频欠阻尼振荡的优化设计方案。所提的统一模型可拓展到其它类型的VIC补偿交错并联Buck变换器。
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