開關(guān)型功率變換器的研究與設(shè)計(jì)

摘要：電壓型控制是開關(guān)型功率變換器最常見的控制方式。瞬態(tài)分析和控制設(shè)計(jì)的常用方法是頻域法，即在頻域內(nèi)研究分析開關(guān)電源的瞬態(tài)性能。經(jīng)過實(shí)驗(yàn)和工程實(shí)踐，證明了理論分析的正確性。

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

1 引言

能源和交通在經(jīng)濟(jì)建設(shè)中的巨大作用是盡人皆知的。隨著社會(huì)的高速發(fā)展，節(jié)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(rèn)識(shí)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，已從線性功率變換發(fā)展到高頻開關(guān)型功率變換。高頻功率變換使電源產(chǎn)品信息化，節(jié)能和環(huán)保成為可能，為此，有必要對(duì)開關(guān)型功率變換器的控制和設(shè)計(jì)作一些研究和探討。

為了使輸出電壓自動(dòng)穩(wěn)定，不隨運(yùn)行條件或環(huán)境的變化而變化，必須采用某種控制模式。開關(guān)電源的控制模式分為閉環(huán)控制和開環(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。開環(huán)結(jié)構(gòu)常用的有前饋控制。其中電壓型控制是最常見的一種控制方式，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）是開關(guān)變換器最基本的一種控制方式，屬于單環(huán)負(fù)反饋控制。其實(shí)質(zhì)是：輸出電壓被檢測(cè)后，與給定（基準(zhǔn)）值V_ref比較，誤差經(jīng)放大后，作用于脈寬調(diào)制（PWM）電路，驅(qū)動(dòng)功率開關(guān)管，形成反饋。恒頻下驅(qū)動(dòng)脈沖寬度為DT_s，D為占空比，T_s為開關(guān)周期。因此，最基本的開關(guān)穩(wěn)壓電源是一個(gè)單閉環(huán)反饋控制系統(tǒng)，以下簡稱開關(guān)電源。

采用電壓模式控制的開關(guān)電源的控制系統(tǒng)為單一的電壓控制環(huán)，該系統(tǒng)有一高Q值的開環(huán)共扼極點(diǎn)，在開環(huán)頻率特性曲線上表現(xiàn)為一個(gè)很高的諧振峰，使系統(tǒng)傾向于振蕩。為了消除共扼極點(diǎn)對(duì)系統(tǒng)穩(wěn)定性造成的不利影響，通常采用PI或PID調(diào)節(jié)器對(duì)系統(tǒng)開環(huán)頻率特性進(jìn)行校正，而這種校正方法降低了系統(tǒng)低頻的增益，使系統(tǒng)響應(yīng)變慢，動(dòng)態(tài)特性變差,必須等到控制系統(tǒng)檢測(cè)出電壓變化，才能產(chǎn)生負(fù)反饋調(diào)節(jié)作用，D不能瞬時(shí)響應(yīng)。下面以DC/DC開關(guān)電源為例，說明其控制原理。

DC/DC開關(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(tǒng)的負(fù)反饋控制作用，PWM輸出脈沖寬度（即占空比D）自動(dòng)調(diào)整，從而自動(dòng)實(shí)現(xiàn)穩(wěn)壓，使V_o的變化保持在給定值附近的允許范圍之內(nèi)。設(shè)功率電路為DC/DC Buck變換器，電壓型控制的開關(guān)穩(wěn)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(hào)。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(qū)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(shè)計(jì)；波形振幅坡度大，因而噪聲小，工作穩(wěn)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(fù)載的擾動(dòng)必須轉(zhuǎn)化為輸出擾動(dòng)，才能被電壓環(huán)反饋，因此系統(tǒng)響應(yīng)慢；輸出LC濾波電路給系統(tǒng)增加了兩個(gè)極點(diǎn)，這就需要在補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)增加零點(diǎn)或者需要一個(gè)低轉(zhuǎn)折頻率的主極點(diǎn)；環(huán)路增益隨輸入電壓而變化，因而補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)較復(fù)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(shù)是在開關(guān)電源初步設(shè)計(jì)完成后，在開關(guān)電源輸入端加階躍輸入，測(cè)量開關(guān)電源樣品的階躍輸入響應(yīng)；若瞬態(tài)響應(yīng)不滿足要求，則修改控制器參數(shù)，然后重復(fù)實(shí)驗(yàn)，直到滿足要求為止。可見，時(shí)域綜合法是一種試探法，用于工程設(shè)計(jì)十分不方便。故開關(guān)電源的小信號(hào)分析與綜合都用頻域法。因此，對(duì)開關(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(shù)學(xué)模型來分析和設(shè)計(jì)系統(tǒng)的方法稱為頻率特性法。利用頻率特性法分析開關(guān)型功率變換器要應(yīng)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(shù)等。在復(fù)頻域（s域）內(nèi)對(duì)開關(guān)型功率變換器進(jìn)行交流小信號(hào)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(yīng)分析等。

設(shè)系統(tǒng)的傳遞函數(shù)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(dāng)(s－P₁)(s－P₂)…(s－P_n)=0時(shí)，稱為系統(tǒng)的特征方程，其解P₁、P₂、…、P_n稱為系統(tǒng)的極點(diǎn)。閉環(huán)傳遞函數(shù)G（s）的分子多項(xiàng)式N（s）=0時(shí)，其解稱為系統(tǒng)的零點(diǎn)。極點(diǎn)和零點(diǎn)的類型決定系統(tǒng)的穩(wěn)定性。結(jié)合開關(guān)型功率變換器，假設(shè)在小信號(hào)擾動(dòng)下，給定（參考）電壓V_r=0,控制量為占空比D。

負(fù)載電流I_o(s)和輸入電壓V_i(s)為開關(guān)變換器的擾動(dòng);

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

F(s)=D(s)/I_o(s)為“輸入電壓－控制”傳遞函數(shù)；

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