PWM小信号建模

脉冲宽度调制器是反馈控制回路的重要组成部分。虽然 PWM 过程本质上是高度非线性的,但在小信号条件下可近似为线性时不变模型。恒频 PWM 调制器的增益为常数 ,变频 PWM 调制器则呈现频率依赖的相位超前特性。本章系统阐述恒频和变频 PWM 调制器的小信号模型及其适用频率极限。


PWM 调制器在控制系统中的位置

反馈控制器 输出为参考信号 ,经 PWM 调制器生成开关信号 驱动功率级。


恒频 PWM 小信号模型

时域推导

设参考包含直流偏置 (对应稳态占空比 )加小信号扰动 :

不论载波形式(锯齿波、反向锯齿波、三角波),恒频 PWM 调制器增益均为:

频域验证

各频谱模型(2.10-2.15)均包含与参考同频同相的基波分量,幅值等于:

再次确认:增益与载波形式无关,等于载波幅度 的倒数。

状态空间平均法

对于 CCM 模式 DC-DC 变换器,将开关函数 替换为其周平均 (占空比):

其中 , 。

Buck 变换器可等效为线性系统(仅开关改变输入电压连接);Boost/Buck-Boost 的非线性乘积项需小信号线性化。


频率有效性极限与边带干扰

边带分量落入扰动频率的条件

当满足以下条件时,边带分量会出现在扰动频率 处:

关键情况 和

Bessel 函数 在 较大时的高阶项极小:

因此仅 和 需考虑,对应:

最低失效频率:

当 时,(半开关频率)。此时 的边带分量为:

对单极后缘调制,该边带分量为:

问题:

  1. 幅值是扰动的非线性函数(Bessel 函数)
  2. 相位与扰动的初始相位 有关——时变行为,违反 LTI 假设

结论:恒频 PWM 线性小信号模型仅在 时有效。


DCM 模式的平均建模

DCM 模式中,电感电流在每周期归零,产生第三区间(开关和二极管均关断)。需引入占空比约束(duty ratio constraint)来关联二极管导通占空比与其他变量。


补充:恒频PWM增益统一证明与模型深层细节

以下内容为 Sun (2012) §2.3.1-§2.3.2 的补充——涵盖增益统一性证明、边带时变行为的数学分析、DCM建模细节、谐振变换器建模方法。

C1 恒频PWM调制器增益在不同载波类型下的统一证明

来自频谱模型的直接验证

对六种频谱模型(2.10-2.15)提取基波项:

调制方式基波项幅值
单极后缘
双极后缘
单极前缘
双极前缘
单极双边缘
双极双边缘

全部一致:基波幅值均为 ,与载波类型和调制方式无关。

几何解释

  • 锯齿波(后缘):导通区间由比较器输出高电平定义,占空比
  • 反向锯齿波(前缘):互补关系,占空比
  • 三角波(双边缘):对称导通占空比仍取决于

无论载波形状如何,占空比-参考的小信号线性化结果均为 。

引申结论

  • 恒频PWM调制器是一个无记忆的线性增益模块(在小信号范围内)
  • 增益 与开关频率 、占空比 均无关
  • 这使得电压模式控制的频率补偿设计非常直观

C4 边带干扰的时变行为——详细数学证明

问题重述

当扰动频率 时, 的边带分量与扰动信号同频。关键问题是:该边带分量的相位是否跟随扰动信号的相位?

单极后缘调制在 时的边带分量

其中 是扰动 的初始相位, 是载波的初始相位。

相位关系分析

将边带分量写为通式:

其中:

扰动信号为:。

时变性的根源: 中包含了 项。当扰动信号的相位 变化时,边带分量的相位反向跟随( 关系),而非保持与扰动固定的相移关系。

LTI假设的违反

线性时不变系统的基本要求:输出相位与输入相位之差应为常数(频率的函数)。但此处:

输出-输入相位差依赖于 本身,因此不满足LTI条件。

频域等效解释

在 处, 边带等价于将 处的调制过程折叠回到基带。由于非线性调制中的边带分量携带了载波的相位信息,当它折叠回基带时,扰动的相位信息发生了混叠。这类似于采样系统中的混叠效应——频谱折叠破坏了相位的线性传递特性。

实际影响

  1. 控制环设计边界: 是电压模式控制的绝对极限频率
  2. 保守设计准则:工程实践通常将环路带宽限制在 到
  3. 多环系统:电流内环的带宽可高于 ,因为其工作原理不同(见峰值电流控制原理与建模)

C5 DCM模式的详细平均建模

DCM的三个子区间

DCM模式下,每个开关周期分为三个区间:

区间导通器件电感电流行为持续时间
区间1开关导通线性上升
区间2二极管导通线性下降
区间3均关断保持为零

占空比约束(Duty Ratio Constraint)

对于Boost变换器的DCM模式:

根据电感电流平均值公式:

联立消去 得DCM占空比约束:

DCM平均模型的小信号线性化

对上述约束在稳态点 附近线性化:

这揭示了DCM的两个关键特性:

  1. 占空比与电感电流耦合: 依赖于 (CCM中无此直接耦合)
  2. 输入电压前馈项: 自然出现在占空比约束中

CCM vs DCM小信号模型对比

特性CCMDCM
状态变量阶数2阶()可降为1阶(为主)
占空比约束无( 独立控制)有( 与 相关)
控制-输出传递函数二阶系统(LC谐振)一阶系统(单极点)
右半平面零点Boost/Buck-Boost有通常无(电感电流非连续)
环路补偿较复杂(双极点+ESR零点+RHP零点)较简单(单极点)

C6 边带干扰的物理意义与设计准则

边带干扰的本质

PWM调制器的边带分量源自载波与参考的乘法性相互作用。在频域中,PWM过程可视为:

其中 表示频谱卷积。边带本质上是参考频谱在载波谐波周围的复制和缩放。

载波频率选择的指导原则

设计约束推荐准则物理原因
环路带宽 至 避免边带干扰破坏线性模型
输入/输出纹波 越高纹波越小滤波器衰减与频率成正比
开关损耗 越低损耗越小开关损耗
EMI合规 避开敏感频段载波谐波和边带须通过EMI测试
音频应用避免可听频带内的谐波分量
数字实现数字PWM分辨率限制

边带干扰的工程缓解措施

  1. 提高开关频率:使 远离感兴趣的频带(最常见策略)
  2. 多电平/交错技术:利用谐波对消降低边带幅值(见交错PWM与谐波抵消技术)
  3. 变频调制:边带能量分散,峰值幅值降低(见变频PWM调制技术)
  4. 滤波器设计:在边带频率处设置足够的衰减(输出LC滤波器 + 额外的后置滤波器)
  5. 扩频调制(SSC):周期性调制开关频率,将边带能量展宽

C7 谐振变换器平均模型的奇异摄动法

问题的多时间尺度特性

谐振变换器包含三个不同的时间尺度:

时间尺度典型频率变量
最快(谐振频率)谐振电感电流 、谐振电容电压
中等(开关频率)开关函数
最慢(环路带宽)输出电压

奇异摄动法的基本思路

将系统状态变量分为快变量和慢变量:

其中 表征时间尺度分离的程度。

降阶步骤

  1. 快变量求解:令 ,求解准稳态方程 ,得到

  2. 慢变量替换:将 代入慢变量方程:

  1. 边界层修正:分析快变量偏离准稳态的瞬态—给出 阶的修正项

对LLC谐振变换器的应用

对于LLC谐振变换器:

  • 快变量:谐振槽电流 和谐振电容电压 (时间常数 )
  • 慢变量:输出电压 和滤波电感电流 (时间常数 )
  • 小参数:

降阶后的平均模型:

其中 是谐振电流的包络(由 和 决定),可通过扩展描述函数法(Extended Describing Function, EDF)进一步建模。

推广:扩展描述函数法(EDF)

EDF是目前谐振变换器建模的主流方法,其核心步骤:

  1. 将非线性开关函数展开为基波和主要谐波的正弦/余弦分量
  2. 推导各分量的幅值微分方程(谐波平衡)
  3. 对幅值方程线性化得到小信号传递函数

EDF可视为奇异摄动法的频域版本,特别适用于网络谐振频率与开关频率接近或相等的情况。


谐振变换器的建模注意事项

谐振变换器引入额外的谐振时间常数,需奇异摄动理论(Singular Perturbation)和时间尺度分离(Time-Scale Separation)技术来发展平均模型。详细内容参见上节 C7。


补充二:DCM完整传递函数与综合设计实例

以下内容为 Sun (2012) §2.3.1-2.3.2 的进一步补充——涵盖 DCM 模式的完整小信号传递函数表达式以及 PWM 调制器选择到补偿器设计的全链条实例。

G9 DCM模式的完整小信号传递函数

控制-输出传递函数

在 DCM 模式下,电感电流在每个周期归零,功率级降为一阶系统。对于 Boost 变换器 DCM:

其中各参数:

参数表达式物理含义
DC 增益 ,取决于输入输出电压比
极点 DCM 下单极点为主(无 LC 谐振)
RHP 零点 通常频率较高,影响小于 CCM

音频敏感度

CCM vs DCM 传函对比

特性CCMDCM
系统阶数2 阶(LC 谐振)1 阶(单极点)
极点频率
RHP 零点Boost/Buck-Boost 有存在但频率高
低频增益高()中等(与 相关)
补偿难度较复杂(双极点+可能 RHPZ)简单(单极点,PI 即可)

G15 PWM调制器选择→小信号建模→补偿器设计 完整链路实例

设计规格

设计一个 Buck 变换器电压模式控制环路:

  • 输入 V,输出 V
  • 开关频率 kHz,载波幅度 V
  • H,F,(满载)
  • 目标交越频率 kHz(,满足恒频 PWM 频率极限)

第1步:PWM调制器选择

选择恒频后缘调制(锯齿波载波),理由:

  • DC-DC 变换器中最常用
  • 调制器增益 (V)
  • 无频率依赖性(简化补偿设计)

稳态占空比:

第2步:功率级小信号建模

Buck 变换器 CCM 功率级传递函数:

其中:

  • rad/s(kHz)
  • (欠阻尼,尖峰 ~10dB)
  • (假设 ESR = 5m,kHz,远高于交越频率,可忽略)

第3步:调制器与功率级级联

第4步:补偿器设计

采用 Type III 补偿器(双零点 + 双极点反馈),以克服 LC 双极点谐振:

补偿策略:

  1. 双零点 kHz → 抵消 LC 谐振的双极点
  2. 第一极点 kHz(若 ESR 零点在带内)
  3. 第二极点 kHz(在边带干扰频率处提供额外衰减)
  4. 增益 调节使 kHz 处

第5步:环路增益验证

在 kHz 处检查:

  • 相位裕度:(Type III 补偿器在 附近提供约 相位提升)
  • 增益裕度:dB
  • ,远低于 的极限,LTI 模型有效

设计总结

设计环节选择/结果依据
PWM 调制器恒频后缘(锯齿波)DC-DC 最常用,增益恒定
开关频率200kHz平衡纹波和开关损耗
调制器增益0.5
补偿器类型Type III克服 LC 双极点谐振
环路带宽20kHz,满足频率极限
预期 PM/GM/12dB标准鲁棒设计

补充:小信号模型频率极限 的深层论证与章节桥梁

以下内容为 Sun (2012) §2.3.1 的补充——涵盖边带谐波污染扰动信号导致 频率极限的完整数学推导,以及状态空间平均法与峰值电流控制 KBM 纹波重建之间的概念性连接。

D.1 极限的数学根源

边带谐波污染扰动信号

当参考信号包含小信号扰动 时,PWM 波形不仅包含基波分量 ,还包含载波及其边带谐波。边带谐波的通用频率为:

核心问题:当某一边带分量出现在与扰动相同频率 处时,该边带与调制器的基波响应不可区分地叠加,使线性分析失效。

临界条件

边带频率等于扰动频率的条件:

最低临界频率

  • :,即扰动频率等于载波频率——此时 的载波谐波本身与扰动同频
  • :,即扰动频率为载波频率的一半——这是最低临界频率

对于 ,单极后缘调制中 的边带分量为(从公式 2.10 提取):

该分量的相位依赖 (扰动的初始相位)——这违反了 LTI 模型的基本假设。

高阶 情况的忽略论证

一般条件 对 也成立,但 J_n(x) 的泰勒展开最低阶项:

在小信号假设 (即 )下,,则 。对于 , 是高阶小量,可忽略。

因此,只有 和 是实际顾虑,相应的频率极限条件为:

即扰动频率为 的整数倍时小信号模型失效。

频率极限总结

这是恒频 PWM 小信号 LTI 模型的严格有效性上限。超过此频率后,调制器的响应具有时变性,线性控制设计方法不再适用。非线性控制方法(如滑模控制、无差拍控制)可用于克服这一极限。


F.1 跨章节桥梁:状态空间平均与 KBM 纹波重建

原书的章节连接

Sun (2012) §2.3.1 在完成状态空间平均法的推导后,为下节 §2.4(峰值电流控制)埋下了伏笔:

Averaging effectively removes the switching ripple in the responses of a converter. If necessary, the ripple can be recovered from the averaged model. A method to reconstruct switching ripple from the averaged model of a PWM converter will be discussed in Sect. 2.4 in conjunction with modelling of peak-current control.

这段话搭建了从 §2.3 状态空间平均 到 §2.4 峰值电流控制 KBM 模型 之间的逻辑桥梁。

为什么纹波重建在峰值电流控制中是必要的

步骤内容对应原书章节
1状态空间平均法: 简化为 §2.3.1 公式 (2.23)-(2.24)
2平均模型丢失了开关纹波信息———
3峰值电流控制的本质:开关关断由 决定——需要重建电感电流纹波 §2.4.2 公式 (2.69)
4KBM 算法将 分解为 ,递推算得各阶纹波分量§2.4.2 公式 (2.61)-(2.64)

KBM 方法在全书框架中的定位

KBM 方法精妙地桥接了两种建模范式:

  1. 平均模型的优势:消除开关纹波,获得 LTI 模型用于线性控制设计
  2. 纹波重建:从平均模型恢复纹波信息,用于定义峰值电流控制的占空比约束

这种”先平均、再重建”的策略避免了直接在全阶开关模型上进行非线性分析,是工程数学方法应用于电力电子建模的典范。

概念流图

全阶开关模型(含完整纹波)
        ↓ 状态空间平均
平均模型(无纹波) → 线性控制设计
        ↓ KBM 纹波重建 (Ψ₁ + Ψ₂ + …)
纹波重构 → 峰值电流控制占空比约束
        ↓ 联合平均模型 + 约束
完整平均模型(可预测次谐波不稳定)

双向链接

来源:Sun PWM 开关电子系统 Ch2 深度解析 §2.3.1-2.3.2

前置概念:

后续概念:

相关实体: