開關型功率變換器的研究與設計

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

關鍵詞：開關型；單環(huán)反饋控制；電壓型；頻域響應；傳遞函數(shù)

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。隨著社會的高速發(fā)展，節(jié)能和環(huán)保是每一個電力電子技術工作者需要重新認識的課題。作為電力電子技術的核心——電能變換技術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，有必要對開關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穩(wěn)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。開關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(diào)制（PWM）電路，驅(qū)動功率開關管，形成反饋。恒頻下驅(qū)動脈沖寬度為DT_s，D為占空比，T_s為開關周期。因此，最基本的開關穩(wěn)壓電源是一個單閉環(huán)反饋控制系統(tǒng)，以下簡稱開關電源。

采用電壓模式控制的開關電源的控制系統(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，在開環(huán)頻率特性曲線上表現(xiàn)為一個很高的諧振峰，使系統(tǒng)傾向于振蕩。為了消除共扼極點對系統(tǒng)穩(wěn)定性造成的不利影響，通常采用PI或PID調(diào)節(jié)器對系統(tǒng)開環(huán)頻率特性進行校正，而這種校正方法降低了系統(tǒng)低頻的增益，使系統(tǒng)響應變慢，動態(tài)特性變差,必須等到控制系統(tǒng)檢測出電壓變化，才能產(chǎn)生負反饋調(diào)節(jié)作用，D不能瞬時響應。下面以DC/DC開關電源為例，說明其控制原理。

DC/DC開關變換器的輸出電壓V_o與占空比及變壓器的匝比n有關，即V_o=f(D，n)。任何原因使輸出電壓V_o變化時，由于系統(tǒng)的負反饋控制作用，PWM輸出脈沖寬度（即占空比D）自動調(diào)整，從而自動實現(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)。設功率電路為DC/DC Buck變換器，電壓型控制的開關穩(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。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)動器。

圖1 電壓型控制

采用電壓模式控制，其優(yōu)點是：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(wěn)定；多模塊輸出時，低阻抗輸出能提供很好的交互控制。缺點是：電網(wǎng)或負載的擾動必須轉(zhuǎn)化為輸出擾動，才能被電壓環(huán)反饋，因此系統(tǒng)響應慢；輸出LC濾波電路給系統(tǒng)增加了兩個極點，這就需要在補償網(wǎng)絡增加零點或者需要一個低轉(zhuǎn)折頻率的主極點；環(huán)路增益隨輸入電壓而變化，因而補償網(wǎng)絡設計較復雜。

3 電壓型控制的頻域分析

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

3.1 頻域模型

采用頻率特性作為數(shù)學模型來分析和設計系統(tǒng)的方法稱為頻率特性法。利用頻率特性法分析開關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(shù)等。在復頻域（s域）內(nèi)對開關型功率變換器進行交流小信號分析。頻域分析法包括零點極點分析、頻率特性分析及頻率響應分析等。

設系統(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，稱為系統(tǒng)的特征方程，其解P₁、P₂、…、P_n稱為系統(tǒng)的極點。閉環(huán)傳遞函數(shù)G（s）的分子多項式N（s）=0時，其解稱為系統(tǒng)的零點。極點和零點的類型決定系統(tǒng)的穩(wěn)定性。結(jié)合開關型功率變換器，假設在小信號擾動下，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)為開關變換器的擾動;

G(s)=V_o(s)/D(s)為開關變換器的“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)為開關變換器的輸出阻抗。