Forschung zur subharmonischen Schwingung im Spitzenstrommodus von Schaltnetzteilen
DC-DC-Schaltnetzteile werden aufgrund ihrer geringen Größe, ihres geringen Gewichts, ihres hohen Wirkungsgrads und ihrer stabilen Leistung häufig in den Bereichen Elektronik, Elektrogeräte und Haushaltsgeräte eingesetzt und befinden sich in einer Phase rasanter Entwicklung. Das DC-DC-Schaltnetzteil verwendet Leistungshalbleiter als Schalter und passt die Ausgangsspannung durch Steuerung des Arbeitszyklus der Schalter an. Die Steuerkreistopologie ist in Strommodus und Spannungsmodus unterteilt. Die Strommodussteuerung wird aufgrund ihrer Vorteile wie schneller dynamischer Reaktion, vereinfachter Kompensationsschaltung, großer Verstärkungsbandbreite, kleiner Ausgangsinduktivität und einfacher Stromaufteilung häufig verwendet. Die Strommodussteuerung ist weiter unterteilt in Spitzenstromsteuerung und Durchschnittsstromsteuerung. Die Vorteile des Spitzenstroms sind: 1) schnelles Einschwingverhalten im geschlossenen Regelkreis sowie schnelles Einschwingverhalten auf Änderungen der Eingangsspannung und der Ausgangslast; 2) Der Regelkreis ist einfach zu gestalten; 3) Ausgestattet mit einer einfachen und automatischen Magnetausgleichsfunktion; 4) Ausgestattet mit einer sofortigen Spitzenstrombegrenzungsfunktion usw. Der Spitzeninduktivitätsstrom kann jedoch subharmonische Schwingungen im System verursachen. Obwohl dies in vielen Veröffentlichungen bis zu einem gewissen Grad dargelegt wurde, gibt es keine systematische Forschung zu subharmonischen Schwingungen, insbesondere zu ihren Ursachen und der spezifischen Schaltungsimplementierung. In diesem Artikel wird eine systematische Untersuchung subharmonischer Schwingungen durchgeführt.
Ursachen der 1. harmonischen Schwingung
Am Beispiel eines Schaltnetzteils im Spitzenstrommodus mit PWM-Modulation (wie in Abbildung 1 dargestellt und mit einer Down-Slope-Kompensationsstruktur) wird eine detaillierte Analyse der Ursachen subharmonischer Schwingungen aus verschiedenen Perspektiven durchgeführt.
Für den aktuellen Innenschleifen-Steuerungsmodus zeigt Abbildung 2 die Änderung des Induktivitätsstroms, wenn der Arbeitszyklus des Systems größer als 50 Prozent ist und der Induktivitätsstrom einen kleinen Schritt Δ durchläuft, wobei die durchgezogene Linie die Wellenform des Induktivitätsstroms während des normalen Systembetriebs darstellt Die gestrichelte Linie stellt die tatsächliche Arbeitswellenform des Induktivitätsstroms dar. Es ist ersichtlich, dass: 1) der Induktivitätsstromfehler des letzten Taktzyklus größer ist als der Induktivitätsstromfehler des vorherigen Zyklus, dh das Induktivitätsstromfehlersignal schwankt und divergiert und das System ist instabil; 2) Die Schwingungsperiode beträgt das Doppelte der Schaltperiode, d. h. die Schwingungsfrequenz beträgt die Hälfte der Schaltfrequenz, woher der Name „subharmonische Schwingung“ stammt. Abbildung 3 zeigt die Variation des Induktivitätsstroms, wenn der Arbeitszyklus des Systems mehr als 50 Prozent beträgt und es einen kleinen Schritt AD im Arbeitszyklus gibt, was darauf hindeutet, dass das System auch subharmonische Schwingungen erfahren wird. Wenn das Tastverhältnis des Systems weniger als 50 Prozent beträgt, können Störungen im Induktivitätsstrom oder im Tastverhältnis zwar auch zu Schwingungen im Induktivitätsstromfehlersignal führen, diese Schwingungen gehören jedoch zur Dämpfungsschwingung. Das System ist stabil.
