1引言

開關(guān)電源是一個(gè)閉環(huán)的自動(dòng)控制系統(tǒng),，開關(guān)電源的控制環(huán)節(jié)的設(shè)計(jì)是其設(shè)計(jì)的重要組成部分。其常用的設(shè)計(jì)步驟是對(duì)主電路建立小信號(hào)模型,，作出開環(huán)波特圖,，然后根據(jù)性能指標(biāo)要求，運(yùn)用經(jīng)典自動(dòng)控制理論,，設(shè)計(jì)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(duì)開關(guān)電源的控制系統(tǒng)進(jìn)行了分析[1][4],。

應(yīng)用在電力領(lǐng)域的開關(guān)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(shí)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(gè)獨(dú)立的電壓環(huán)和電流環(huán),。這種控制方式簡(jiǎn)單穩(wěn)定,，容易設(shè)計(jì)，穩(wěn)定時(shí)只工作在某個(gè)單環(huán)控制下,，兩個(gè)控制環(huán)不會(huì)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(jí)式雙環(huán)控制，當(dāng)系統(tǒng)工作在恒壓模式下時(shí)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(yùn)行的電源中限流特性十分重要,，否則當(dāng)一臺(tái)模塊退出工作時(shí),，其它模塊會(huì)因不能及時(shí)限流而引起連鎖反應(yīng)，相繼保護(hù)退出工作,。另外,，從控制的角度來(lái)說(shuō)，減小運(yùn)行參數(shù)對(duì)控制系統(tǒng)穩(wěn)定性的影響,，增強(qiáng)系統(tǒng)的魯棒性是很重要的。本文通過(guò)對(duì)兩種控制方式進(jìn)行建模分析,，對(duì)兩種控制方式的限流速度和控制穩(wěn)定性進(jìn)行了比較,，并通過(guò)實(shí)驗(yàn)得到了驗(yàn)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(gè)并聯(lián)的單環(huán)分別實(shí)現(xiàn)電路的恒壓和恒流功能,，電壓環(huán)PI調(diào)節(jié)器輸出和電流環(huán)PI調(diào)節(jié)器輸出均通過(guò)一個(gè)二極管接到三角波比較器的正輸入端，電路工作時(shí),，若電壓環(huán)PI調(diào)節(jié)器輸出UV1小于電流環(huán)PI調(diào)節(jié)器輸出UC1,，則DV1導(dǎo)通，電路工作在電壓環(huán)控制模式,；反之DC1導(dǎo)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(shí),，電壓環(huán)和電流環(huán)只有一個(gè)環(huán)在工作，不會(huì)互相干擾,。而且單環(huán)控制的設(shè)計(jì)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(duì)簡(jiǎn)單,。但由于電壓環(huán)和電流環(huán)的調(diào)節(jié)器輸出端接在一起，在過(guò)渡過(guò)程中,，特別是當(dāng)兩個(gè)環(huán)之間進(jìn)行切換時(shí),，會(huì)形成相互干擾，可能會(huì)導(dǎo)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(shí)的電路方框圖,。圖3是工作在電流環(huán)單環(huán)控制模式時(shí)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(diào)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(diào)節(jié)器的傳遞函數(shù)；

GdV(s)為主電路的占空比對(duì)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(diào)節(jié)器的傳遞函數(shù)；

Gdi(s)為主電路的占空比對(duì)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(fù)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(shí)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(jí)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(jié)構(gòu)上將兩個(gè)單環(huán)串聯(lián)起來(lái),，同樣也能實(shí)現(xiàn)電路恒壓和恒流兩種工作方式。當(dāng)D3導(dǎo)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(dāng)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(fù),。當(dāng)D3截止時(shí),，電路工作在恒壓模式下，電路采用串級(jí)雙環(huán)控制,，電流環(huán)作為電壓環(huán)的內(nèi)環(huán),，電壓環(huán)PI調(diào)節(jié)器的輸出UV2作為電流環(huán)PI調(diào)節(jié)器的給定,。其電路方框圖如圖7所示，在設(shè)計(jì)參數(shù)時(shí),，先設(shè)計(jì)電流環(huán)的調(diào)節(jié)器,，獲得穩(wěn)定的內(nèi)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(gè)環(huán)節(jié),，如圖8所示，然后設(shè)計(jì)電壓環(huán)的調(diào)節(jié)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(yīng)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D3的管壓降,，因?yàn)镈3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(wěn)流精度不如前面那種控制方式，但可以通過(guò)調(diào)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(jí)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(fù)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?gòu)?fù)述,。

根據(jù)圖7,，得到電流環(huán)（內(nèi)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(jí)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(shí)際電路參數(shù)代入式（8），其中Uin=515V,，Upp=3.5V,，Ki=0.1。得到串級(jí)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(jí)型雙環(huán)控制方式具有更快的限流響應(yīng)速度

在并聯(lián)型雙環(huán)控制方式下，當(dāng)系統(tǒng)的工作狀態(tài)由恒壓模式切換到恒流（限流）模式時(shí),，由于存在一個(gè)切換的過(guò)渡過(guò)程,，往往會(huì)導(dǎo)致限流速度太慢，甚至發(fā)生兩個(gè)環(huán)交互作用,，互相干擾而導(dǎo)致系統(tǒng)的不穩(wěn)定,。因?yàn)楫?dāng)電路工作在恒壓模式時(shí),，此時(shí)的輸出電感電流平均值比限流設(shè)定值低，所以電流環(huán)PI調(diào)節(jié)器正向飽和輸出UC1,，這時(shí)負(fù)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(jìn)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(diào)節(jié)器輸出UV1低時(shí),，此時(shí)DC1才導(dǎo)通，限流環(huán)才開始起作用,。這樣就會(huì)有可能帶來(lái)兩個(gè)問(wèn)題：一是如果這段時(shí)間太長(zhǎng),，系統(tǒng)有可能因?yàn)椴荒芗皶r(shí)限流而導(dǎo)致過(guò)流保護(hù)；二是如果電流環(huán)和電壓環(huán)的響應(yīng)速度比較接近時(shí),，則在這個(gè)過(guò)渡過(guò)程中有可能兩個(gè)環(huán)交錯(cuò)作用,，互相干擾，導(dǎo)致系統(tǒng)的不穩(wěn)定,。圖10所示波形是當(dāng)兩臺(tái)模塊并聯(lián)運(yùn)行時(shí),，關(guān)掉一臺(tái)模塊，另一臺(tái)模塊過(guò)流保護(hù)時(shí)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(cè)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(shí)驗(yàn)條件為：兩臺(tái)并聯(lián)工作輸出42A，模塊的限流值為25A,。此時(shí)關(guān)掉模塊1,，對(duì)于模塊2相當(dāng)于突然增加一倍負(fù)載，由圖中可見,，由于模塊2的限流環(huán)不能及時(shí)作用,，導(dǎo)致其過(guò)流保護(hù)。

圖11顯示了通道1為電壓環(huán)PI調(diào)節(jié)器輸出UV1,，通道2為電流環(huán)PI調(diào)節(jié)器輸出UC1,。負(fù)載沒(méi)有突變時(shí)，系統(tǒng)工作在電壓環(huán)單環(huán)控制模式,，此時(shí)UV1決定電路的占空比,；UC1飽和輸出，（在實(shí)驗(yàn)電路中為了加快其響應(yīng)速度,，將它限幅在6V）電流環(huán)不工作,。當(dāng)負(fù)載突增，輸出電壓下降，因此UV1上升,，當(dāng)電感電流平均值超過(guò)限流值時(shí),，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?cè)谶^(guò)渡過(guò)程中交錯(cuò)作用,，導(dǎo)致系統(tǒng)的不穩(wěn)定。

而系統(tǒng)采用串級(jí)型雙環(huán)控制方式時(shí)則不會(huì)有此類問(wèn)題,，因?yàn)樵谶@種情況下,，電路工作在恒壓模式時(shí)，說(shuō)明電壓環(huán)PI調(diào)節(jié)器的輸出小于限流環(huán)設(shè)定,，D3截止,，但電流環(huán)作為內(nèi)環(huán)仍然在工作著。同樣如果此時(shí)負(fù)載突然增加,，則由于輸出電壓降低,，所以電壓環(huán)的PI調(diào)節(jié)器輸出增加，當(dāng)UV2大于限流值時(shí),，D3導(dǎo)通,，系統(tǒng)則工作在恒流模式。從電路結(jié)構(gòu)中看,，這種控制方式是對(duì)電壓環(huán)PI調(diào)節(jié)器的輸出進(jìn)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(diào)節(jié)器的輸出大于限流值Uiref,系統(tǒng)就立即進(jìn)入限流狀態(tài),，從而使系統(tǒng)具有最快的限流響應(yīng)速度,。圖12是當(dāng)兩臺(tái)模塊并聯(lián)運(yùn)行時(shí)，關(guān)掉一臺(tái)模塊,，另一臺(tái)模塊快速限流時(shí)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(cè)系數(shù)為20:1,。此時(shí)模塊的限流值和保護(hù)值不變,。同樣兩臺(tái)模塊也是并聯(lián)工作，輸出42A,。然后關(guān)掉模塊1,，由圖12可見，采用串級(jí)型雙環(huán)控制后,，模塊2快速限流,，并且無(wú)超調(diào)。

32串級(jí)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(fù)載引起過(guò)流保護(hù)

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

圖12串級(jí)型雙環(huán)控制方式下負(fù)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(duì)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(duì)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(hào)模型的增益與輸入電壓有關(guān),。此時(shí)不管是采用PI或是PID控制,，當(dāng)輸入電壓在較大范圍內(nèi)變化時(shí)，都會(huì)對(duì)系統(tǒng)的穩(wěn)定性和剪切頻率造成影響,，這樣就給控制調(diào)節(jié)器的設(shè)計(jì)帶來(lái)了困難,，如果控制調(diào)節(jié)器設(shè)計(jì)得比較臨界，甚至有可能導(dǎo)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(dòng)輸入電壓得到一組系統(tǒng)的開環(huán)波特圖。由圖13可得當(dāng)Uin=200V時(shí),，系統(tǒng)的相位裕量為39°,，剪切頻率為1kHz；當(dāng)Uin=400V時(shí),，系統(tǒng)的相位裕量為29°,，剪切頻率為1.3kHz；當(dāng)Uin=600V時(shí),，系統(tǒng)的相位裕量為28°,，剪切頻率為1.6kHz?？梢?，隨著輸入電壓Uin的變化，系統(tǒng)的穩(wěn)定性和響應(yīng)速度都在發(fā)生變化,，因此在設(shè)計(jì)控制器的時(shí)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(shè)計(jì)控制器變得比較復(fù)雜。

而當(dāng)系統(tǒng)工作在串級(jí)型雙環(huán)控制方式下時(shí),，輸入電壓對(duì)系統(tǒng)特性幾乎沒(méi)有影響,，圖14是系統(tǒng)工作在串級(jí)型雙環(huán)控制方式下，變動(dòng)輸入電壓得到一組系統(tǒng)的開環(huán)波特圖,。

由圖14可得當(dāng)Uin分別為200V,，400V，600V時(shí),，系統(tǒng)的相位裕量為98°,，剪切頻率為375Hz，均沒(méi)有變化,?？梢婋S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(méi)有變化,，僅僅在高頻段有些影響,，但這對(duì)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(shè)計(jì)變得簡(jiǎn)單許多,。

4結(jié)語(yǔ)

本文對(duì)應(yīng)用于開關(guān)電源中的并聯(lián)型雙環(huán)控制方式和串級(jí)型雙環(huán)控制方式進(jìn)行了建模和對(duì)比分析,，得出以下結(jié)論：

（1）串級(jí)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(yīng)速度，因此串級(jí)型雙環(huán)控制方式更適合于并聯(lián)運(yùn)行的模塊化電源,，如電力操作電源,。

（2）串級(jí)型雙環(huán)控制方式較并聯(lián)型雙環(huán)控制方式對(duì)系統(tǒng)的運(yùn)行參數(shù)具有更好的魯棒性，因此串級(jí)型雙環(huán)控制方式更適應(yīng)于輸入電壓變化范圍大的應(yīng)用場(chǎng)合,。