閉環(huán)反饋控制功率電子變換系統不穩定性抑制技術(shù)
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時(shí)間：2012-03-17
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技術(shù)方案與實(shí)用技巧
四種功率電子變換器AC/AC、AC/DC、DC/DC、DC/AC通常都含有LC輸出濾波器。閉環(huán)反饋控制功率電子變換系統容易發(fā)生不穩定現象，因此，不穩定性抑制技術(shù)就成了電力電子學(xué)重要的研究課題。
LC輸出濾波器是個(gè)二階系統，一般把它的前端電壓作為控制量，其頻譜特性與變換器的控制策略及負載性質(zhì)有關(guān)，輸出濾波器的作用就是濾除其中的高次諧波，以得到所需電壓波形。
閉環(huán)反饋控制功率電子變換系統的行為包括穩態(tài)響應和瞬態(tài)響應。為了使這兩類(lèi)響應達到系統的要求，常引入補償裝置來(lái)改善系統的性能。本文在分析研究了功率電子變換系統多種不穩定性抑制技術(shù)的基礎上，提出并研究了一種具有抑制振蕩功能的可控阻尼LC輸出濾波器，仿真及試驗結果均證實(shí)了其可行性。
2、 補償網(wǎng)絡(luò )技術(shù)
2.1傳統的補償網(wǎng)絡(luò )技術(shù)
功率電子變換系統一般采用高增益的運算放大器形成誤差放大器，并設計成反饋補償網(wǎng)絡(luò )，使系統形成閉環(huán)回路。常用的誤差放大器補償網(wǎng)絡(luò )，見(jiàn)圖1所示。圖1a中輸出、輸入電壓之間的傳遞函數為
其伯德圖的轉折頻率
若只考慮改善系統的穩態(tài)精度，可只使用滯后補償網(wǎng)絡(luò )。功率電子變換系統中常用的滯后補償網(wǎng)絡(luò )為比例-積分（PI）環(huán)節，見(jiàn)圖1b，其輸出、輸入電壓之間的傳遞函數為
2.2電流控制斜坡補償技術(shù)
電流控制功率電子變換系統有瞬態(tài)響應速度快、內在限流能力、易并聯(lián)等優(yōu)點(diǎn)，但該電路在占空比D>0.5時(shí)容易出現次諧波振蕩，使得系統不穩定[3-5]。
以一臺20W 27VDC/±15VDC峰值電流型控制反激式DC/DC 變換器機內穩壓電源為例[3]。不穩定原因分析見(jiàn)圖2a，設△In為開(kāi)關(guān)第n次開(kāi)通前電流擾動(dòng)信號，m1和m2分別為電流上升下降率，實(shí)線(xiàn)為穩定情況，虛線(xiàn)為加入擾動(dòng)后的情況，
周期加大，造成系統不穩定或性能下降,形成次諧波振蕩。消除這種振蕩的方法是在變換器電流反饋信號或電流給定信號上,人為地增加一個(gè)斜坡函數進(jìn)行斜坡補償。
在電流給定信號（誤差電壓Ue）處加上斜坡補償的原理如圖2b所示。在Ue處加入斜坡補償后，斜坡的斜率m等于或略大于m2/2 ,
原邊電流反饋信號（采樣電壓Us）斜坡補償原理，如圖3a所示。這里將補償斜坡加在采樣電阻RS的電壓上，再與平滑的誤差電壓Ue進(jìn)行比較。這種補償同樣能有效地防止次諧波振蕩現象，使電路工作穩定。圖3b為采樣電壓Us補償前后的試驗波形。
3、 二階LC輸出濾波器降階技術(shù)
3.1 電流斷續導通DCM模式技術(shù)
反激式變換器根據電感電流的連續性可以分成電流斷續模式（DCM）、電流連續模式（CCM）、電流臨界連續模式三種工作模式。
在DCM模式時(shí)，反激式 DC/DC變換器各變量之間關(guān)系為[3~4]
式（3）中，UO為輸出電壓、Ui為輸入電壓、TS為變換器開(kāi)關(guān)周期、D為開(kāi)關(guān)的占空比、L為儲能電感、I0為負載電流。由此可得到各變量之間的Laplace變換式為[4]
式（4）中，Cf為濾波電容、RL為負載電阻、
由（4）式得，輸出電壓UO對占空比D的傳遞函數為
同樣根據文獻[4]可獲得，在電感電流連續模式（CCM）下，輸出電壓UO對占空比D的傳遞函數為
式（6）中，
由式（5）、（6）可知反激式DC/DC變換器分別工作在DCM和CCM模式下的零極點(diǎn)分布。CCM模式時(shí)，S右半平面有一零點(diǎn)，S左半平面有兩個(gè)對稱(chēng)的極點(diǎn)；DCM模式時(shí)，無(wú)零點(diǎn)，S左半平面有一個(gè)極點(diǎn)。相比較，在DCM模式下，反激式DC/DC變換器屬于一階系統，S右半平面無(wú)零極點(diǎn)，由濾波器引起的系統不穩定性不復存在。因此，控制方案只需采用比例-積分（PI）的一階串聯(lián)補償網(wǎng)絡(luò )，系統的穩定范圍大。另外通過(guò)對反激式DC/DC變換器的外特性進(jìn)行分析，在DCM模式時(shí)，變換器存在很高的非線(xiàn)形內阻，具有類(lèi)電流源特性。
3.2 電流控制兩態(tài)（三態(tài)）調制技術(shù)
電流控制兩態(tài)（三態(tài)）調制技術(shù)是電流控制技術(shù)中的一類(lèi)，其閉環(huán)反饋控制系統由兩個(gè)反饋環(huán)構成。外環(huán)是電壓環(huán)，輸出電壓與基準電壓信號進(jìn)行比較，經(jīng)過(guò)限幅放大，誤差電壓作為電流內環(huán)的給定；內環(huán)是電流環(huán)，電感電流作為反饋信號，誤差電壓是電流給定信號，兩者比較產(chǎn)生自持振蕩，形成兩態(tài)（三態(tài)）調制器。由于電感電流與給定電流信號之間的約束關(guān)系，使得電感電流不再是獨立變量。
當輸入電壓或負載變化引起輸出電壓變化時(shí)，都將引起電感電流變化率的改變，使功率開(kāi)關(guān)的轉換時(shí)刻變化，從而控制了功率開(kāi)關(guān)的占空比。這對輸入電壓的變化而言，電流內環(huán)實(shí)質(zhì)上起到了前饋控制作用，即輸入電壓變化尚未導致輸出電壓變化，就由電流內環(huán)產(chǎn)生調節作用。由于電流內環(huán)具有快速的響應，從分析整個(gè)系統的瞬態(tài)可看出，對于電壓反饋外環(huán)，電流內環(huán)相當于一個(gè)受控放大器，外環(huán)的瞬態(tài)響應速度僅決定于濾波電容Cf和負載性質(zhì)，所以整個(gè)系統具有快速的瞬態(tài)響應。對整個(gè)系統而言，LC濾波器對穩定性影響減小，二階環(huán)節（LC）的輸出濾波器降低為一階環(huán)節（C）[3-6]。也就是說(shuō)，整個(gè)系統除內環(huán)外，只有一個(gè)與濾波電容有關(guān)的比例積分環(huán)節和一個(gè)與負載有關(guān)的一階或二階環(huán)節，具有高度的穩定性。
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