隔离型有源钳位AC-DC变换器多模式原边反馈数字控制策略研究

Isolated active-clamp AC-DC converter can realize high frequency, high power, small volume and electronic isolation, thus it can be used in power adapters of mobile devices such as cell phones and table tablets. As opto-coupler is used in the feedback control loop, aging effect, temperature-drift effect and limited working temperature are introduced. Primary-side regulation control method is aimed to remove the opto-coupler and improve the working performance of the converter. However, due to the non-linearity and simple control method, the existing research can not satisfy the requirements of the output precision, the efficiency and the dynamic transition. To solve the above problems, this project will focus on the study of primary-side control of active-clamp converter. Considering the non-linearity and the parasitic parameters, the precise sampling model, loss model and circuit model under different control mode are firstly established. Based on the models, constant voltage and current realization with primary-side regulation control, multimode control method with efficiency optimization and stable closed loop control with fast dynamic performance will be developed. At last, an isolated active-clamp AC-DC converter featuring high efficiency, high accuracy and rapid dynamic response will be acquired. This project will promote the technology development of power improvement and volume reduction in isolated AC-DC converter. It will also provide theoretical guidance for the design of this kind of converter and the control chip.

隔离型有源钳位AC-DC变换器具有高频率、高功率、小体积及安全可靠的特性，在手机、笔记本电脑等智能移动设备电源中得到了较多应用。当前该变换器采用光耦反馈电路，存在老化、温漂及工作温度受限等问题，原边反馈控制方案旨在移除光耦器件，提升变换器性能。然而变换器存在非线性特性及寄生效应，且控制方式单一，当前研究方案无法满足变换器对输出精度、转换效率及环路动态调节等性能的需求。针对以上问题，本项目将综合考虑变换器非线性特性与寄生效应，建立不同工作模式下原边反馈控制的精确采样模型、损耗模型与环路频域模型，从而分别研究原边反馈高精度恒压、恒流控制方法，优化整体效率的自适应多模式控制方法与提高动态调节的环路控制方法，最终得到高精度、高效率、高动态响应隔离型有源钳位AC-DC变换器稳定的多模式原边反馈数字控制策略。本项目将推动隔离型AC-DC变换器高功率、小体积技术发展，并为该类电源及芯片设计提供理论指导。

隔离型交流—直流(AC-DC)变换器能实现输入与输出的电气隔离，具有安全隔离及可靠性高的特点，广泛应用于手机、笔记本电脑等具便携性的小功率应用场合。有源钳位反激变换器具有转换效率高、结构简单且可靠性高等特点，在隔离型AC-DC变换器中应用广泛，其主要利用光耦器件将输出信息反馈至输入控制电路，但光耦的非线性、温漂等特性降低了变换器的可靠性与输出性能。原边反馈技术可以移除光耦，简化电路及提升变换器可靠性，但由于高频下变换器寄生参数的非线性影响，现有研究方案无法满足隔离型AC-DC 变换器对输出精度、转换效率及环路动态等性能的设计需求。.针对原边反馈控制有源钳位反激变换器，本项目从原边高精度恒压恒流控制、多模式效率优化以及高动态稳态环路控制几个方面进行研究，其成果如下。.①在恒压控制方面，在CCM模式中插入DCM模式，补偿了CCM模式采样误差，其输出电压精度达0.6%。在恒流控制方面，分别研究了基于电容电荷平衡输出电流预测技术，基于辅助绕组电压的励磁电流模拟技术，基于小电阻的低损耗输出电流测算技术，将上述技术应用于AC-DC、DC-DC变换器中，输出电流精度达1%，3%等。.②在多模式效率优化方面，在恒压与恒流控制中采用多模式控制、谷底导通控制、自适应软开关死区时间控制等方法优化变换器的整体效率，恒压、恒流控制的峰值效率为92.9%、90.5%，谷底导通控制后效率提升可达0.5%。.③在环路稳定控制方面，提出了基于离散信号的扰动矩阵分析法，可分析常规及非常规控制方法的环路稳定性，实现了原边反馈控制稳定性分析，并排除了次谐波振荡等不稳定性问题。在动态设计方面，提出了基于负载检测的高动态控制算法，极大提升了恒流控制的动态性能，在1A的恒流应用中，当负载电阻从5Ω切换至3Ω时，恢复时间从5ms减小至1.88ms。.项目研究和设计了高精度、高效率、高动态响应隔离型有源钳位AC-DC变换器稳定的多模式原边反馈数字控制策略。项目成果将推动隔离型AC-DC变换器高功率、小体积技术发展，并为该类电源及芯片设计提供理论指导。