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. DC-DC-Schaltnetzteile verwenden Leistungshalbleiter als Schalter, um die Ausgangsspannung durch Steuerung des Arbeitszyklus der Schalter anzupassen. Die Topologie der Steuerschaltung 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 in Spitzenstromsteuerung und Durchschnittsstromsteuerung unterteilt. Die Vorteile des Spitzenstroms sind: 1) schnelles Einschwingverhalten im geschlossenen Regelkreis und schnelles Einschwingverhalten auf Änderungen der Eingangsspannung und der Ausgangslast; 2) Der Regelkreis ist einfach zu gestalten; 3) Verfügt über eine einfache automatische Magnetausgleichsfunktion; 4) Verfügt über eine Funktion zur Begrenzung des momentanen Spitzenstroms usw. Der Spitzeninduktorstrom kann jedoch subharmonische Schwingungen im System verursachen. Obwohl dies in vielen Fachliteratur bis zu einem gewissen Grad eingeführt wurde, wurden subharmonische Schwingungen, insbesondere ihre Ursachen und spezifischen Schaltungsimplementierungen, nicht systematisch untersucht. In diesem Artikel wird eine systematische Untersuchung subharmonischer Schwingungen durchgeführt.
Ursache der 1. harmonischen Schwingung
Am Beispiel des PWM-Modulations-Spitzenstrommodus-Schaltnetzteils (wie in Abbildung 1 dargestellt und mit Down-Slope-Kompensationsstruktur dargestellt) werden die Ursachen subharmonischer Schwingungen aus verschiedenen Perspektiven detailliert analysiert.
Für den Strom-Innenschleifen-Steuerungsmodus zeigt Abbildung 2 die Schwankung des Induktorstroms, wenn das Systemtastverhältnis größer als 50 % ist und der Induktorstrom einen kleinen Schritt durchläuft. Die durchgezogene Linie stellt die Wellenform des Induktorstroms während des normalen Systembetriebs dar, und die gestrichelte Linie stellt die tatsächliche Arbeitswellenform des Induktorstroms dar. Es ist ersichtlich, dass: 1) der Induktivitätsstromfehler im nächsten Taktzyklus größer ist als im vorherigen Zyklus, was darauf hinweist, dass das Induktivitätsstromfehlersignal oszilliert und divergiert und das System instabil ist; 2) Die Schwingungsperiode ist doppelt so groß wie die Schaltperiode, was bedeutet, dass die Schwingungsfrequenz die Hälfte der Schaltfrequenz beträgt. Daher stammt auch der Name „subharmonische Schwingung“. Abbildung 3 zeigt die Variation des Induktorstroms, wenn der Arbeitszyklus des Systems größer als 50 % ist und es einen kleinen Schritt AD im Arbeitszyklus gibt. Es ist zu erkennen, dass das System auch subharmonische Schwingungen aufweist. Wenn das Tastverhältnis des Systems weniger als 50 % beträgt, können Störungen im Induktorstrom oder im Tastverhältnis zwar auch Schwingungen im Induktorstromfehlersignal verursachen, diese Schwingung gehört jedoch zur Abklingschwingung. Das System ist stabil.
