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的自動控制系統，開關電源的控制環節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，作出開環波特圖，然后根據性能指標要求，運用經典自動控制理論，設計校正系統，使系統具有良好的穩態和暫態性能。很多研究者對開關電源的控制系統進行了分析[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方式：一種是采用并聯式雙環控制，在系統中建立兩個獨立的電壓環和電流環。這種控制方式簡單穩定，容易設計，穩定時只工作在某個單環控制下，兩個控制環不會互相干擾，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控制，當系統工作在恒壓模式下時是用雙環控制，工作在恒流模式下是用單環控制。

電力操作電源一般為并聯工作的模塊式電源，在這種并聯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，減小運行參數對控制系統穩定性的影響，增強系統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并聯式雙環控制方式

這種控制方式電路原理圖如圖1所示，使用兩個并聯的單環分別實現電路的恒壓和恒流功能，電壓環PI調節器輸出和電流環PI調節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PI調節器輸出UV1小于電流環PI調節器輸出UC1，則DV1導通，電路工作在電壓環控制模式；反之DC1導通，電路工作在電流環控制模式。這種控制方式下，在穩定工作時，電壓環和電流環只有一個環在工作，不會互相干擾。而且單環控制的設計和分析都相

圖1并聯式雙環控制方式的電路原理圖

圖2電壓環單環控制模式下的電路方框圖

圖3電流環單環控制模式下的電路方框圖

圖4電壓環單環開環波特圖

圖5電流環單環開環波特圖

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

圖2是工作在電壓環單環控制模式時的電路方框圖。圖3是工作在電流環單環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，H=R2/(R1＋R2)；

FM為脈寬調制器的傳遞函數，FM=1/UPP，（UPP為三角波峰峰值）；

GV(s)為電壓環PI調節器的傳遞函數；

GdV(s)為主電路的占空比對輸出電壓的開環傳遞函數；

Ki為電感電流采樣系數；

Gi(s)為電流環PI調節器的傳遞函數；

Gdi(s)為主電路的占空比對電感電流的開環傳遞函數。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為濾波電容的串聯等效電阻；

R為負載電阻。

由圖2可得電壓環單環的開環傳遞函數為：

Tvo1(s)=HFMGV(s)GdV(s)（4）

由圖3可得電流環單環的開環傳遞函數為：

Tio1(s)=KiFMGi(s)Gdi(s)（5）

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

2.2串級型雙環控制方式

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串聯起來，同樣也能實現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，電壓環不起作用，電路相當于單環控制，其電路方框圖和傳遞函數同圖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，電路采用串級雙環控制，電流環作為電壓環的內環，電壓環PI調節器的輸出UV2作為電流環PI調節器的給定。其電路方框圖如圖7所示，在設計參數時，先設計電流環的調節器，獲得穩定的內環，然后得到電流環的閉環傳遞函數Tic(s)，并將其作為電壓環的一個環節，如圖8所示，然后設計電壓環的調節器。這種控制方式的最大的優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流精度不如前面那種控制方式，但可以通過調節電阻R3，減小D3管壓降的變化量，以提高這種控制方式的穩流精度。

圖8電壓環雙環控制方式下的等效電路方框圖

圖6串級型雙環控制方式的電路原理圖

圖7電壓環雙環控制模式下的電路方框圖

圖9雙環控制方式下電壓環的開環波特圖

圖7和圖8中，Z(s)為負載和輸出電容支路的并聯阻抗：Z(s)=（6）

其它函數在上面已經定義，就不再復述。

根據圖7，得到電流環（內環）的閉環傳遞函數為：Tic(s)=(7)

然后由等效方框圖圖8可得，電壓環的開環傳遞函數為：

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

為了便于比較兩種控制系統特性，串級型雙環控制方式下的控制參數與并聯型雙環控制方式下的控制參數一致。將如圖6所示的實際電路參數代入式（8），其中Uin=515V，Upp=3.5V，Ki=0.1。得到串級型雙環控制方式下電壓環的開環波特圖，如圖9所示。其剪切頻率為378Hz，相位裕量為98°，穩定裕量為59dB。

3兩種控制方法的比較

3?1串級型雙環控制方式具有更快的限流響應速度

在并聯型雙環控制方式下，當系統的工作狀態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，甚至發生兩個環交互作用，互相干擾而導致系統的不穩定。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PI調節器正向飽和輸出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，而是要等到UC1的輸出從正向飽和狀態退出并且降到比電壓環PI調節器輸出UV1低時，此時DC1才導通，限流環才開始起作用。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；二是如果電流環和電壓環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交錯作用，互相干擾，導致系統的不穩定。圖10所示波形是當兩臺模塊并聯運行時，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PI調節器輸出UV1，通道2為電流環PI調節器輸出UC1。負載沒有突變時，系統工作在電壓環單環控制模式，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和電流環的速度接近，使它們在過渡過程中交錯作用，導致系統的不穩定。

而系統采用串級型雙環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PI調節器的輸出小于限流環設定，D3截止，但電流環作為內環仍然在工作著。同樣如果此時負載突然增加，則由于輸出電壓降低，所以電壓環的PI調節器輸出增加，當UV2大于限流值時，D3導通，系統則工作在恒流模式。從電路結構中看，這種控制方式是對電壓環PI調節器的輸出進行限幅，限幅值就是電流環的限流值Uiref，這樣一旦電壓環PI調節器的輸出大于限流值Uiref,系統就立即進入限流狀態，從而使系統具有最快的限流響應速度。圖12是當兩臺模塊并聯運行時，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工作，輸出42A。然后關掉模塊1，由圖12可見，采用串級型雙環控制后，模塊2快速限流，并且無超調。

3?2串級型雙環控制方式具有更好的系統穩定性能

圖10并聯型雙環控制方式下突變負載引起過流保護

圖11并聯型雙環控制方式下負載突變引起電壓環和電流環交錯作用

圖12串級型雙環控制方式下負載突變模塊能夠迅速限流

圖13電壓環單環控制下變化輸入電壓對系統開環波特圖的影響

圖14電壓環雙環控制下變化輸入電壓對系統開環波特圖的影響

在并聯型雙環控制方式下，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，都會對系統的穩定性和剪切頻率造成影響，這樣就給控制調節器的設計帶來了困難，如果控制調節器設計得比較臨界，甚至有可能導致系統的不穩定。圖13是系統工作在電壓環單環控制方式下，變動輸入電壓得到一組系統的開環波特圖。由圖13可得當Uin=200V時，系統的相位裕量為39°，剪切頻率為1kHz；當Uin=400V時，系統的相位裕量為29°，剪切頻率為1.3kHz；當Uin=600V時，系統的相位裕量為28°，剪切頻率為1.6kHz。可見，隨著輸入電壓Uin的變化，系統的穩定性和響應速度都在發生變化，因此在設計控制器的時候必須考慮到系統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。

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

由圖14可得當Uin分別為200V，400V，600V時，系統的相位裕量為98°，剪切頻率為375Hz，均沒有變化。可見隨著輸入電壓的變化，系統開環波特圖在中低頻段幾乎沒有變化，僅僅在高頻段有些影響，但這對系統性能影響很小。這樣系統不僅具有更好的穩定性能，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型雙環控制方式和串級型雙環控制方式進行了建模和對比分析，得出以下結論：

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

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