電力操作電源兩種控制方式的比較

1引言

開關電源是一個閉環(huán)的自動控制系統(tǒng)，開關電源的控制環(huán)節(jié)的設計是其設計的重要組成部分。其常用的設計步驟是對主電路建立小信號模型，作出開環(huán)波特圖，然后根據(jù)性能指標要求，運用經(jīng)典自動控制理論，設計校正系統(tǒng)，使系統(tǒng)具有良好的穩(wěn)態(tài)和暫態(tài)性能。很多研究者對開關電源的控制系統(tǒng)進行了分析[1]?[4]。

應用在電力領域的開關電源一般要求能工作在恒壓和恒流兩種模式，在控制上有兩種常用的實現(xiàn)方式：一種是采用并聯(lián)式雙環(huán)控制，在系統(tǒng)中建立兩個獨立的電壓環(huán)和電流環(huán)。這種控制方式簡單穩(wěn)定，容易設計，穩(wěn)定時只工作在某個單環(huán)控制下，兩個控制環(huán)不會互相干擾，可以保證很好的恒壓和恒流精度。另一種是采用串級式雙環(huán)控制，當系統(tǒng)工作在恒壓模式下時是用雙環(huán)控制，工作在恒流模式下是用單環(huán)控制。

電力操作電源一般為并聯(lián)工作的模塊式電源，在這種并聯(lián)運行的電源中限流特性十分重要，否則當一臺模塊退出工作時，其它模塊會因不能及時限流而引起連鎖反應，相繼保護退出工作。另外，從控制的角度來說，減小運行參數(shù)對控制系統(tǒng)穩(wěn)定性的影響，增強系統(tǒng)的魯棒性是很重要的。本文通過對兩種控制方式進行建模分析，對兩種控制方式的限流速度和控制穩(wěn)定性進行了比較，并通過實驗得到了驗證。

2兩種控制方式分析

2?1并聯(lián)式雙環(huán)控制方式

這種控制方式電路原理圖如圖1所示，使用兩個并聯(lián)的單環(huán)分別實現(xiàn)電路的恒壓和恒流功能，電壓環(huán)PI調節(jié)器輸出和電流環(huán)PI調節(jié)器輸出均通過一個二極管接到三角波比較器的正輸入端，電路工作時，若電壓環(huán)PI調節(jié)器輸出UV1小于電流環(huán)PI調節(jié)器輸出UC1，則DV1導通，電路工作在電壓環(huán)控制模式；反之DC1導通，電路工作在電流環(huán)控制模式。這種控制方式下，在穩(wěn)定工作時，電壓環(huán)和電流環(huán)只有一個環(huán)在工作，不會互相干擾。而且單環(huán)控制的設計和分析都相

圖1并聯(lián)式雙環(huán)控制方式的電路原理圖

圖2電壓環(huán)單環(huán)控制模式下的電路方框圖

圖3電流環(huán)單環(huán)控制模式下的電路方框圖

圖4電壓環(huán)單環(huán)開環(huán)波特圖

圖5電流環(huán)單環(huán)開環(huán)波特圖

對簡單。但由于電壓環(huán)和電流環(huán)的調節(jié)器輸出端接在一起，在過渡過程中，特別是當兩個環(huán)之間進行切換時，會形成相互干擾，可能會導致電路工作不穩(wěn)定。

圖2是工作在電壓環(huán)單環(huán)控制模式時的電路方框圖。圖3是工作在電流環(huán)單環(huán)控制模式時的電路方框圖。圖2、圖3中：

H為輸出電壓采樣系數(shù)，H=R2/(R1＋R2)；

FM為脈寬調制器的傳遞函數(shù)，F(xiàn)M=1/UPP，（UPP為三角波峰峰值）；

GV(s)為電壓環(huán)PI調節(jié)器的傳遞函數(shù)；

GdV(s)為主電路的占空比對輸出電壓的開環(huán)傳遞函數(shù)；

Ki為電感電流采樣系數(shù)；

Gi(s)為電流環(huán)PI調節(jié)器的傳遞函數(shù)；

Gdi(s)為主電路的占空比對電感電流的開環(huán)傳遞函數(shù)。GV(s)=(1)GdV(s)=×(2)Gdi(s)=×(3)

式中：Uin輸入直流母線電壓；

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。

由圖2可得電壓環(huán)單環(huán)的開環(huán)傳遞函數(shù)為：

Tvo1(s)=HFMGV(s)GdV(s)（4）

由圖3可得電流環(huán)單環(huán)的開環(huán)傳遞函數(shù)為：

Tio1(s)=KiFMGi(s)Gdi(s)（5）

將如圖1所示的實際電路參數(shù)代入式(4)和(5)，其中Uin=515V，Upp=3.5V，Ki=0.1。做出波特圖。圖4為電壓環(huán)開環(huán)波特圖，其剪切頻率為1.5kHz，相位裕量為28°。圖5為電流環(huán)開環(huán)波特圖，其剪切頻率為10kHz，相位裕量為81°。

2.2串級型雙環(huán)控制方式

這種控制方式的電路原理圖如圖6所示，它在結構上將兩個單環(huán)串聯(lián)起來，同樣也能實現(xiàn)電路恒壓和恒流兩種工作方式。當D3導通時，電路工作在恒流模式，此時，電壓環(huán)不起作用，電路相當于單環(huán)控制，其電路方框圖和傳遞函數(shù)同圖1所示電路工作在恒流模式是一樣的，不再重復。當D3截止時，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(jié)器的輸出UV2作為電流環(huán)PI調節(jié)器的給定。其電路方框圖如圖7所示，在設計參數(shù)時，先設計電流環(huán)的調節(jié)器，獲得穩(wěn)定的內環(huán)，然后得到電流環(huán)的閉環(huán)傳遞函數(shù)Tic(s)，并將其作為電壓環(huán)的一個環(huán)節(jié)，如圖8所示，然后設計電壓環(huán)的調節(jié)器。這種控制方式的最大的優(yōu)點是很好地解決了電路的限流問題，使電路具有最快的限流響應速度。但是這種控制方式的實際限流給定是限流值Uiref加上D3的管壓降，因為D3的管壓降與通過它的電流有關，所以這種控制方式的穩(wěn)流精度不如前面那種控制方式，但可以通過調節(jié)電阻R3，減小D3管壓降的變化量，以提高這種控制方式的穩(wěn)流精度。

圖8電壓環(huán)雙環(huán)控制方式下的等效電路方框圖

圖6串級型雙環(huán)控制方式的電路原理圖

圖7電壓環(huán)雙環(huán)控制模式下的電路方框圖

圖9雙環(huán)控制方式下電壓環(huán)的開環(huán)波特圖

圖7和圖8中，Z(s)為負載和輸出電容支路的并聯(lián)阻抗：Z(s)=（6）

其它函數(shù)在上面已經(jīng)定義，就不再復述。

根據(jù)圖7，得到電流環(huán)（內環(huán)）的閉環(huán)傳遞函數(shù)為：Tic(s)=(7)

然后由等效方框圖圖8可得，電壓環(huán)的開環(huán)傳遞函數(shù)為：

Tvo1(s)=HGV(s)Tic(s)Z(s)(8)

為了便于比較兩種控制系統(tǒng)特性，串級型雙環(huán)控制方式下的控制參數(shù)與并聯(lián)型雙環(huán)控制方式下的控制參數(shù)一致。將如圖6所示的實際電路參數(shù)代入式（8），其中Uin=515V，Upp=3.5V，Ki=0.1。得到串級型雙環(huán)控制方式下電壓環(huán)的開環(huán)波特圖，如圖9所示。其剪切頻率為378Hz，相位裕量為98°，穩(wěn)定裕量為59dB。

3兩種控制方法的比較

3?1串級型雙環(huán)控制方式具有更快的限流響應速度

在并聯(lián)型雙環(huán)控制方式下，當系統(tǒng)的工作狀態(tài)由恒壓模式切換到恒流（限流）模式時，由于存在一個切換的過渡過程，往往會導致限流速度太慢，甚至發(fā)生兩個環(huán)交互作用，互相干擾而導致系統(tǒng)的不穩(wěn)定。因為當電路工作在恒壓模式時，此時的輸出電感電流平均值比限流設定值低，所以電流環(huán)PI調節(jié)器正向飽和輸出UC1，這時負載突然增大，并且電感電流平均值大于限流值，但電路并不是立即進入限流狀態(tài)，而是要等到UC1的輸出從正向飽和狀態(tài)退出并且降到比電壓環(huán)PI調節(jié)器輸出UV1低時，此時DC1才導通，限流環(huán)才開始起作用。這樣就會有可能帶來兩個問題：一是如果這段時間太長，系統(tǒng)有可能因為不能及時限流而導致過流保護；二是如果電流環(huán)和電壓環(huán)的響應速度比較接近時，則在這個過渡過程中有可能兩個環(huán)交錯作用，互相干擾，導致系統(tǒng)的不穩(wěn)定。圖10所示波形是當兩臺模塊并聯(lián)運行時，關掉一臺模塊，另一臺模塊過流保護時輸出濾波電感電流的波形，其波形是采用霍爾傳感器得到的，檢測系數(shù)為20:1，通道1為模塊1輸出濾波電感電流波形，通道2為模塊2輸出濾波電感電流波形，實驗條件為：兩臺并聯(lián)工作輸出42A，模塊的限流值為25A。此時關掉模塊1，對于模塊2相當于突然增加一倍負載，由圖中可見，由于模塊2的限流環(huán)不能及時作用，導致其過流保護。

圖11顯示了通道1為電壓環(huán)PI調節(jié)器輸出UV1，通道2為電流環(huán)PI調節(jié)器輸出UC1。負載沒有突變時，系統(tǒng)工作在電壓環(huán)單環(huán)控制模式，此時UV1決定電路的占空比；UC1飽和輸出，（在實驗電路中為了加快其響應速度，將它限幅在6V）電流環(huán)不工作。當負載突增，輸出電壓下降，因此UV1上升，當電感電流平均值超過限流值時，UC1下降，但在電路中由于電壓環(huán)和電流環(huán)的速度接近，使它們在過渡過程中交錯作用，導致系統(tǒng)的不穩(wěn)定。

而系統(tǒng)采用串級型雙環(huán)控制方式時則不會有此類問題，因為在這種情況下，電路工作在恒壓模式時，說明電壓環(huán)PI調節(jié)器的輸出小于限流環(huán)設定，D3截止，但電流環(huán)作為內環(huán)仍然在工作著。同樣如果此時負載突然增加，則由于輸出電壓降低，所以電壓環(huán)的PI調節(jié)器輸出增加，當UV2大于限流值時，D3導通，系統(tǒng)則工作在恒流模式。從電路結構中看，這種控制方式是對電壓環(huán)PI調節(jié)器的輸出進行限幅，限幅值就是電流環(huán)的限流值Uiref，這樣一旦電壓環(huán)PI調節(jié)器的輸出大于限流值Uiref,系統(tǒng)就立即進入限流狀態(tài)，從而使系統(tǒng)具有最快的限流響應速度。圖12是當兩臺模塊并聯(lián)運行時，關掉一臺模塊，另一臺模塊快速限流時的輸出濾波電感電流波形。通道1、通道2分別為模塊1、模塊2的輸出濾波電感電流，電流檢測系數(shù)為20:1。此時模塊的限流值和保護值不變。同樣兩臺模塊也是并聯(lián)工作，輸出42A。然后關掉模塊1，由圖12可見，采用串級型雙環(huán)控制后，模塊2快速限流，并且無超調。

3?2串級型雙環(huán)控制方式具有更好的系統(tǒng)穩(wěn)定性能

圖10并聯(lián)型雙環(huán)控制方式下突變負載引起過流保護

圖11并聯(lián)型雙環(huán)控制方式下負載突變引起電壓環(huán)和電流環(huán)交錯作用

圖12串級型雙環(huán)控制方式下負載突變模塊能夠迅速限流

圖13電壓環(huán)單環(huán)控制下變化輸入電壓對系統(tǒng)開環(huán)波特圖的影響

圖14電壓環(huán)雙環(huán)控制下變化輸入電壓對系統(tǒng)開環(huán)波特圖的影響

在并聯(lián)型雙環(huán)控制方式下，主電路小信號模型的增益與輸入電壓有關。此時不管是采用PI或是PID控制，當輸入電壓在較大范圍內變化時，都會對系統(tǒng)的穩(wěn)定性和剪切頻率造成影響，這樣就給控制調節(jié)器的設計帶來了困難，如果控制調節(jié)器設計得比較臨界，甚至有可能導致系統(tǒng)的不穩(wěn)定。圖13是系統(tǒng)工作在電壓環(huán)單環(huán)控制方式下，變動輸入電壓得到一組系統(tǒng)的開環(huán)波特圖。由圖13可得當Uin=200V時，系統(tǒng)的相位裕量為39°，剪切頻率為1kHz；當Uin=400V時，系統(tǒng)的相位裕量為29°，剪切頻率為1.3kHz；當Uin=600V時，系統(tǒng)的相位裕量為28°，剪切頻率為1.6kHz?？梢姡S著輸入電壓Uin的變化，系統(tǒng)的穩(wěn)定性和響應速度都在發(fā)生變化，因此在設計控制器的時候必須考慮到系統(tǒng)工作在輸入電壓的全范圍均能良好工作，這樣就使設計控制器變得比較復雜。

而當系統(tǒng)工作在串級型雙環(huán)控制方式下時，輸入電壓對系統(tǒng)特性幾乎沒有影響，圖14是系統(tǒng)工作在串級型雙環(huán)控制方式下，變動輸入電壓得到一組系統(tǒng)的開環(huán)波特圖。

由圖14可得當Uin分別為200V，400V，600V時，系統(tǒng)的相位裕量為98°，剪切頻率為375Hz，均沒有變化。可見隨著輸入電壓的變化，系統(tǒng)開環(huán)波特圖在中低頻段幾乎沒有變化，僅僅在高頻段有些影響，但這對系統(tǒng)性能影響很小。這樣系統(tǒng)不僅具有更好的穩(wěn)定性能，而且使控制器的設計變得簡單許多。

4結語

本文對應用于開關電源中的并聯(lián)型雙環(huán)控制方式和串級型雙環(huán)控制方式進行了建模和對比分析，得出以下結論：

（1）串級型雙環(huán)控制方式較并聯(lián)型雙環(huán)控制方式具備更快的限流響應速度，因此串級型雙環(huán)控制方式更適合于并聯(lián)運行的模塊化電源，如電力操作電源。

（2）串級型雙環(huán)控制方式較并聯(lián)型雙環(huán)控制方式對系統(tǒng)的運行參數(shù)具有更好的魯棒性，因此串級型雙環(huán)控制方式更適應于輸入電壓變化范圍大的應用場合。