高頻開(kāi)關(guān)電源控制方案設計
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技術(shù)方案與實(shí)用技巧
1電壓電流雙環(huán)控制
本文引用地址：http://dyxdggzs.com/article/231342.htm為了實(shí)現輸出電壓電流均可控，通常采用電流模式控制，常用電流模式控制有峰值電流控制法和平均電流控制法。但是，峰值電流控制有以下幾個(gè)缺點(diǎn)[1]：
①占空比大于50%的開(kāi)環(huán)不穩定性，存在難以校正的峰值電流與平均電流的誤差；
②閉環(huán)響應不如平均電流模式控制理想；
③容易發(fā)生次諧波振蕩，即使占空比小于50%，也有發(fā)生高頻次諧波振蕩的可能性。因而需要斜坡補償；
④對噪聲敏感，抗噪聲性差。因為電感處于連續儲能電流狀態(tài)，與控制電壓編程決定的電流電平相比較，開(kāi)關(guān)器件的電流信號上斜坡通常較小，電流信號上的較小噪聲很容易使開(kāi)關(guān)器件改變關(guān)斷時(shí)刻，使系統進(jìn)入次諧波振蕩。
2平均電流模式控制PWM
平均電流模式采用雙閉環(huán)控制，其內環(huán)控制輸出濾波電感電流，外環(huán)控制輸出電壓，提高了系統響應速度。圖1為平均電流模式控制PWM的原理圖。
圖1平均電流模式控制原理圖
將誤差電壓信號Ue接至電流誤差信號放大器的同相端，作為輸出電感電流反饋的控制信號Uip。將帶有鋸齒紋波狀分量的輸出電感電流反饋信號Ui，接至電流誤差信號放大器的反相端，跟蹤電流控制信號Uip。Ui與Uip的差值經(jīng)過(guò)電流誤差放大器放大后，得到平均電流跟蹤誤差信號UC。再由UC與三角鋸齒波信號通過(guò)比較器比較得到PWM控制信號。UC的波形與電流波形Ui反相，所以，是由UC的下斜坡（對應于開(kāi)關(guān)器件導通時(shí)期）與三角波的上斜坡比較產(chǎn)生控制信號。顯然，這就無(wú)形中增加了一定的斜坡補償。但為了穩定工作，要求電感電流的下降坡度不能大于晶振的坡度。
平均電流模式控制的優(yōu)點(diǎn)是：
①電感電流能夠高度精確地跟蹤電流控制信號；
②不需要斜坡補償；
③調試好的電路抗噪聲性能優(yōu)越；
④適合于任何電路拓撲對輸入或輸出電流的控制；
⑤易于實(shí)現均流。
3小信號分析及電流、電壓環(huán)PI調節器參數設計
這種控制方式有恒壓和恒流兩種工作方式。當D1導通時(shí)，電路工作在恒流模式，此時(shí)，電壓環(huán)不起作用，電路相當于單環(huán)控制。當D1截止時(shí)，電路工作在恒壓模式下，電路采用串級雙環(huán)控制，電流環(huán)作為電壓環(huán)的內環(huán)，電壓環(huán)PI調節器的輸出Ue作為電流環(huán)PI調節器的給定。其電路方框圖如圖2所示。在設計參數時(shí)，先設計電流環(huán)的調節器，獲得穩定的內環(huán)，然后得到電流環(huán)的閉環(huán)傳遞函數Tic(s)，并將其作為電壓環(huán)的一個(gè)環(huán)節，如圖3所示，然后設計電壓環(huán)調節器。這種控制方式的最大的優(yōu)點(diǎn)是，很好地解決了電路的限流問(wèn)題，使電路具有最快的限流響應速度。但是，這種控制方式的實(shí)際限流給定是限流值Uiref加上D1的管壓降，因為D1的管壓降與通過(guò)它的電流有關(guān)，所以這種控制方式的穩流精度不如前面那種控制方式，但可以通過(guò)調節電阻R3，減小D1管壓降的變化量，以提高這種控制方式的穩流精度。
圖3電壓外環(huán)等效方框圖
圖中符號表示：
H為輸出電壓采樣系數；
Ki為電感電流采樣系數；
FM為脈寬調制器的傳遞函數，FM=1/Upp，（Upp為三角波峰峰值）；
GV(s)為電壓環(huán)PI調節器的傳遞函數：
忽略輸出濾波電感電容等效電阻的影響后為
式中：Udc輸入直流母線(xiàn)電壓；
n為副邊與原邊的匝比；
L為輸出濾波電感值；
RL為濾波電感的電阻；
C為輸出濾波電容；
RC為濾波電容的串聯(lián)等效電阻；
R為負載電阻。
Z(s)為負載和輸出電容支路的并聯(lián)阻抗：
由圖2可得，電流環(huán)（內環(huán)）的閉環(huán)傳遞函數為：
補償前，雙環(huán)控制方式下電壓環(huán)的開(kāi)環(huán)波特圖見(jiàn)圖4。
圖4雙環(huán)控制方式下電壓環(huán)的開(kāi)環(huán)波特圖（補償前）
補償后，電壓環(huán)的開(kāi)環(huán)傳遞函數為：
Tvob(s)=HGv(s)Tic(s)Z(s)（8）
補償后，雙環(huán)控制方式下電壓環(huán)的開(kāi)環(huán)波特圖見(jiàn)圖5。如圖5所示，系統的相位裕量為45°，穩定裕量為50dB。
圖5雙環(huán)控制方式下電壓環(huán)的開(kāi)環(huán)波特圖（補償后）
由等效方框圖圖3可得，補償前電壓環(huán)的開(kāi)環(huán)傳遞函數為：
Gi(s)為電流環(huán)PI調節器的傳遞函數：
Gdi(s)為主電路的占空比對電感電流的開(kāi)環(huán)傳遞函數
圖2雙環(huán)控制模式下的電路方框圖
4控制電路實(shí)現
采用集成芯片UC3525外加運放構成平均電流模式控制電路，并用單片UC3535外加邏輯電路的方式形成有限雙極性控制的4路控制信號。如圖6所示。
（1）外環(huán)控制
電壓給定信號與輸出電壓反饋信號經(jīng)運放U1補償比較得Ue，接到UC3525的內部誤差放大器正相輸入端：2腳作為反饋電流的控制信號Uip。當輸出電流超過(guò)給定限流值時(shí)，D11導通，Uip被嵌在給定限流值上。
（2）內環(huán)控制
采樣電阻檢測輸出電流并通過(guò)電流檢測放大器得電流反饋信號。接到UC3525的內部誤差放大器反相輸入端的1腳，與Uip進(jìn)行比較。UC3525的9腳為反饋補償端。
（3）有限雙極性控制
UC3525的4腳為同步信號輸出，該信號作為D觸發(fā)器U3的時(shí)鐘信號，U3的Q端(1腳)和端(2腳)既可得到占空比為50％相位相差180°的兩組脈沖，Q11、Q12用于控制死區時(shí)間。
圖6單片UC3525構成有限雙極性控制原理圖
5結論
通過(guò)以上設計，對高頻開(kāi)關(guān)電源控制的一些關(guān)鍵問(wèn)題得到了基本解決辦法，高頻開(kāi)關(guān)電源控制電路的實(shí)現，使發(fā)電廠(chǎng)及變電站大容量直流系統能夠更加可靠的運行。
參考文獻
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