開(kāi)關(guān)型功率變換器的研究與設計

摘要：電壓型控制是開(kāi)關(guān)型功率變換器最常見(jiàn)的控制方式。瞬態(tài)分析和控制設計的常用方法是頻域法，即在頻域內研究分析開(kāi)關(guān)電源的瞬態(tài)性能。經(jīng)過(guò)實(shí)驗和工程實(shí)踐，證明了理論分析的正確性。

關(guān)鍵詞：開(kāi)關(guān)型；單環(huán)反饋控制；電壓型；頻域響應；傳遞函數

1 引言

能源和交通在經(jīng)濟建設中的巨大作用是盡人皆知的。隨著(zhù)社會(huì )的高速發(fā)展，節能和環(huán)保是每一個(gè)電力電子技術(shù)工作者需要重新認識的課題。作為電力電子技術(shù)的核心——電能變換技術(shù)也得到了日新月異的發(fā)展，已從線(xiàn)性功率變換發(fā)展到高頻開(kāi)關(guān)型功率變換。高頻功率變換使電源產(chǎn)品信息化，節能和環(huán)保成為可能，為此，有必要對開(kāi)關(guān)型功率變換器的控制和設計作一些研究和探討。

為了使輸出電壓自動(dòng)穩定，不隨運行條件或環(huán)境的變化而變化，必須采用某種控制模式。開(kāi)關(guān)電源的控制模式分為閉環(huán)控制和開(kāi)環(huán)控制兩種。閉環(huán)反饋控制常用的有電壓型控制，電流型控制，單周控制三大類(lèi)。開(kāi)環(huán)結構常用的有前饋控制。其中電壓型控制是最常見(jiàn)的一種控制方式，本文就電壓型控制作一些討論。

2 電壓型控制

電壓型控制（Voltage mode control）是開(kāi)關(guān)變換器最基本的一種控制方式，屬于單環(huán)負反饋控制。其實(shí)質(zhì)是：輸出電壓被檢測后，與給定（基準）值V_ref比較，誤差經(jīng)放大后，作用于脈寬調制（PWM）電路，驅動(dòng)功率開(kāi)關(guān)管，形成反饋。恒頻下驅動(dòng)脈沖寬度為DT_s，D為占空比，T_s為開(kāi)關(guān)周期。因此，最基本的開(kāi)關(guān)穩壓電源是一個(gè)單閉環(huán)反饋控制系統，以下簡(jiǎn)稱(chēng)開(kāi)關(guān)電源。

采用電壓模式控制的開(kāi)關(guān)電源的控制系統為單一的電壓控制環(huán)，該系統有一高Q值的開(kāi)環(huán)共扼極點(diǎn)，在開(kāi)環(huán)頻率特性曲線(xiàn)上表現為一個(gè)很高的諧振峰，使系統傾向于振蕩。為了消除共扼極點(diǎn)對系統穩定性造成的不利影響，通常采用PI或PID調節器對系統開(kāi)環(huán)頻率特性進(jìn)行校正，而這種校正方法降低了系統低頻的增益，使系統響應變慢，動(dòng)態(tài)特性變差,必須等到控制系統檢測出電壓變化，才能產(chǎn)生負反饋調節作用，D不能瞬時(shí)響應。下面以DC/DC開(kāi)關(guān)電源為例，說(shuō)明其控制原理。

DC/DC開(kāi)關(guān)變換器的輸出電壓V_o與占空比及變壓器的匝比n有關(guān)，即V_o=f(D，n)。任何原因使輸出電壓V_o變化時(shí)，由于系統的負反饋控制作用，PWM輸出脈沖寬度（即占空比D）自動(dòng)調整，從而自動(dòng)實(shí)現穩壓，使V_o的變化保持在給定值附近的允許范圍之內。設功率電路為DC/DC Buck變換器，電壓型控制的開(kāi)關(guān)穩壓電源如圖1所示。輸出電壓的取樣KV_o與參考電壓V_r比較，經(jīng)誤差放大器放大后，V_e為誤差放大信號。V_e與鋸齒波電壓V_T比較后，產(chǎn)生占空比為D的脈沖，作用于驅動(dòng)器。

圖1 電壓型控制

采用電壓模式控制，其優(yōu)點(diǎn)是：只有電壓環(huán)，單環(huán)控制容易分析和設計；波形振幅坡度大，因而噪聲小，工作穩定；多模塊輸出時(shí)，低阻抗輸出能提供很好的交互控制。缺點(diǎn)是：電網(wǎng)或負載的擾動(dòng)必須轉化為輸出擾動(dòng)，才能被電壓環(huán)反饋，因此系統響應慢；輸出LC濾波電路給系統增加了兩個(gè)極點(diǎn)，這就需要在補償網(wǎng)絡(luò )增加零點(diǎn)或者需要一個(gè)低轉折頻率的主極點(diǎn)；環(huán)路增益隨輸入電壓而變化，因而補償網(wǎng)絡(luò )設計較復雜。

3 電壓型控制的頻域分析

用時(shí)域法綜合確定控制器參數是在開(kāi)關(guān)電源初步設計完成后，在開(kāi)關(guān)電源輸入端加階躍輸入，測量開(kāi)關(guān)電源樣品的階躍輸入響應；若瞬態(tài)響應不滿(mǎn)足要求，則修改控制器參數，然后重復實(shí)驗，直到滿(mǎn)足要求為止?？梢?jiàn)，時(shí)域綜合法是一種試探法，用于工程設計十分不方便。故開(kāi)關(guān)電源的小信號分析與綜合都用頻域法。因此，對開(kāi)關(guān)電源進(jìn)行頻域分析是工程實(shí)踐的需要。

3.1 頻域模型

采用頻率特性作為數學(xué)模型來(lái)分析和設計系統的方法稱(chēng)為頻率特性法。利用頻率特性法分析開(kāi)關(guān)型功率變換器要應用經(jīng)典控制理論的基本概念和方法，利用方塊圖，傳遞函數等。在復頻域（s域）內對開(kāi)關(guān)型功率變換器進(jìn)行交流小信號分析。頻域分析法包括零點(diǎn)極點(diǎn)分析、頻率特性分析及頻率響應分析等。

設系統的傳遞函數為G(s)，輸入量和輸出量為x(t)和y(t)，t表示時(shí)間，則有

G（s）=Y（s）/X(s)=N(s)/D(s)=N(s)/(s－P₁)(s－P₂)…(s－P_n)

當(s－P₁)(s－P₂)…(s－P_n)=0時(shí)，稱(chēng)為系統的特征方程，其解P₁、P₂、…、P_n稱(chēng)為系統的極點(diǎn)。閉環(huán)傳遞函數G（s）的分子多項式N（s）=0時(shí)，其解稱(chēng)為系統的零點(diǎn)。極點(diǎn)和零點(diǎn)的類(lèi)型決定系統的穩定性。結合開(kāi)關(guān)型功率變換器，假設在小信號擾動(dòng)下，給定（參考）電壓V_r=0,控制量為占空比D。

負載電流I_o(s)和輸入電壓V_i(s)為開(kāi)關(guān)變換器的擾動(dòng);

G(s)=V_o(s)/D(s)為開(kāi)關(guān)變換器的“控制－輸出”傳遞函數；

F(s)=D(s)/I_o(s)為“輸入電壓－控制”傳遞函數；

Z_o(s)=V_o(s)/I_o(s)為開(kāi)關(guān)變換器的輸出阻抗。