1引言

開關(guān)電源是一個閉環(huán)的自動控制系統(tǒng)，開關(guān)電源的控制環(huán)節(jié)的設(shè)計是其設(shè)計的重要組成部分,。其常用的設(shè)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(shè)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(guān)電源的控制系統(tǒng)進行了分析[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(shè)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(dāng)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(dāng)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(yīng),，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(diào)節(jié)器輸出和電流環(huán)PI調(diào)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(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,，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(shè)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(diào)節(jié)器輸出端接在一起，在過渡過程中,，特別是當(dāng)兩個環(huán)之間進行切換時,，會形成相互干擾,，可能會導(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(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(jié)構(gòu)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(dāng)D3導(dǎo)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(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,，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(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)計參數(shù)時,，先設(shè)計電流環(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)的一個環(huán)節(jié)，如圖8所示,，然后設(shè)計電壓環(huán)的調(diào)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(yīng)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(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(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(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，由于存在一個切換的過渡過程,，往往會導(dǎo)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(dǎo)致系統(tǒng)的不穩(wěn)定,。因為當(dāng)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(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(diào)節(jié)器輸出UV1低時,，此時DC1才導(dǎo)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(dǎo)致過流保護；二是如果電流環(huán)和電壓環(huán)的響應(yīng)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(dǎo)致系統(tǒng)的不穩(wěn)定,。圖10所示波形是當(dāng)兩臺模塊并聯(lián)運行時，關(guān)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(guān)掉模塊1，對于模塊2相當(dāng)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(dǎo)致其過流保護,。

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(yīng)速度,，將它限幅在6V）電流環(huán)不工作,。當(dāng)負載突增，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(dǎo)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(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,。同樣如果此時負載突然增加,，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,，D3導(dǎo)通，系統(tǒng)則工作在恒流模式,。從電路結(jié)構(gòu)中看,，這種控制方式是對電壓環(huán)PI調(diào)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(diào)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(yīng)速度。圖12是當(dāng)兩臺模塊并聯(lián)運行時,，關(guān)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(guān)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(diào),。

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(guān),。此時不管是采用PI或是PID控制,，當(dāng)輸入電壓在較大范圍內(nèi)變化時，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(diào)節(jié)器的設(shè)計帶來了困難,，如果控制調(diào)節(jié)器設(shè)計得比較臨界，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,，系統(tǒng)的相位裕量為39°,，剪切頻率為1kHz；當(dāng)Uin=400V時,，系統(tǒng)的相位裕量為29°,，剪切頻率為1.3kHz；當(dāng)Uin=600V時,，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(shè)計控制器變得比較復(fù)雜,。

而當(dāng)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(dāng)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,?？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(shè)計變得簡單許多,。

4結(jié)語

本文對應(yīng)用于開關(guān)電源中的并聯(lián)型雙環(huán)控制方式和串級型雙環(huán)控制方式進行了建模和對比分析，得出以下結(jié)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(yīng)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(yīng)于輸入電壓變化范圍大的應(yīng)用場合,。