闭环反馈控制功率电子变换系统不稳定性抑制技术

1、 引言

　　四种功率电子变换器AC/AC、AC/DC、DC/DC、DC/AC通常都含有LC输出滤波器。闭环反馈控制功率电子变换系统容易发生不稳定现象，因此，不稳定性抑制技术就成了电力电子学重要的研究课题。
　　LC输出滤波器是个二阶系统，一般把它的前端电压作为控制量，其频谱特性与变换器的控制策略及负载性质有关，输出滤波器的作用就是滤除其中的高次谐波，以得到所需电压波形。
　　闭环反馈控制功率电子变换系统的行为包括稳态响应和瞬态响应。为了使这两类响应达到系统的要求，常引入补偿装置来改善系统的性能。本文在分析研究了功率电子变换系统多种不稳定性抑制技术的基础上，提出并研究了一种具有抑制振荡功能的可控阻尼LC输出滤波器，仿真及试验结果均证实了其可行性。

2、 补偿网络技术

2.1传统的补偿网络技术

　　功率电子变换系统一般采用高增益的运算放大器形成误差放大器，并设计成反馈补偿网络，使系统形成闭环回路。常用的误差放大器补偿网络，见图1所示。图1a中输出、输入电压之间的传递函数为

其伯德图的转折频率

。在实际的设计应用中，转折频率正常地会被预定，然后根据上式计算出电阻和电容值。图1a中是一有源滞后-超前补偿网络。对应一个正弦输入，其输出是带有相移的正弦量，输出量的相移是输入信号频率的函数，当输入信号频率从零增加到无穷大时，输出量的相角从滞后变到超前。其超前补偿能使被补偿系统的频带和相位裕量增加，从而改善了系统的响应速度，并且减少了超调量；其滞后补偿能使系统的的稳定性获得改善[1-2]。

　　若只考虑改善系统的稳态精度，可只使用滞后补偿网络。功率电子变换系统中常用的滞后补偿网络为比例-积分（PI）环节，见图1b，其输出、输入电压之间的传递函数为

2.2电流控制斜坡补偿技术

　　电流控制功率电子变换系统有瞬态响应速度快、内在限流能力、易并联等优点，但该电路在占空比D>0.5时容易出现次谐波振荡，使得系统不稳定[3-5]。

　　以一台20W 27VDC/±15VDC峰值电流型控制反激式DC/DC 变换器机内稳压电源为例[3]。不稳定原因分析见图2a，设△In为开关第n次开通前电流扰动信号，m1和m2分别为电流上升下降率，实线为稳定情况，虚线为加入扰动后的情况，

周期加大，造成系统不稳定或性能下降,形成次谐波振荡。消除这种振荡的方法是在变换器电流反馈信号或电流给定信号上,人为地增加一个斜坡函数进行斜坡补偿。
　　在电流给定信号（误差电压Ue）处加上斜坡补偿的原理如图2b所示。在Ue处加入斜坡补偿后，斜坡的斜率m等于或略大于m2/2 ,

,在随后的周期电流扰动会减小到零，系统得以真正的电流模式运行。补偿斜坡可以由振荡器获得。

　　原边电流反馈信号（采样电压Us）斜坡补偿原理，如图3a所示。这里将补偿斜坡加在采样电阻RS的电压上，再与平滑的误差电压Ue进行比较。这种补偿同样能有效地防止次谐波振荡现象，使电路工作稳定。图3b为采样电压Us补偿前后的试验波形。

3、 二阶LC输出滤波器降阶技术

3.1　电流断续导通DCM模式技术

　　反激式变换器根据电感电流的连续性可以分成电流断续模式（DCM）、电流连续模式（CCM）、电流临界连续模式三种工作模式。
　　在DCM模式时，反激式 DC/DC变换器各变量之间关系为[3~4]

式（3）中，UO为输出电压、Ui为输入电压、TS为变换器开关周期、D为开关的占空比、L为储能电感、I0为负载电流。由此可得到各变量之间的Laplace变换式为[4]

式（4）中，Cf为滤波电容、RL为负载电阻、

。
由（4）式得，输出电压UO对占空比D的传递函数为

　　同样根据文献[4]可获得，在电感电流连续模式（CCM）下，输出电压UO对占空比D的传递函数为

式（6）中，

　　由式（5）、（6）可知反激式DC/DC变换器分别工作在DCM和CCM模式下的零极点分布。CCM模式时，S右半平面有一零点，S左半平面有两个对称的极点；DCM模式时，无零点，S左半平面有一个极点。相比较，在DCM模式下，反激式DC/DC变换器属于一阶系统，S右半平面无零极点，由滤波器引起的系统不稳定性不复存在。因此，控制方案只需采用比例-积分（PI）的一阶串联补偿网络，系统的稳定范围大。另外通过对反激式DC/DC变换器的外特性进行分析，在DCM模式时，变换器存在很高的非线形内阻，具有类电流源特性。

3.2　电流控制两态（三态）调制技术

　　电流控制两态（三态）调制技术是电流控制技术中的一类，其闭环反馈控制系统由两个反馈环构成。外环是电压环，输出电压与基准电压信号进行比较，经过限幅放大，误差电压作为电流内环的给定；内环是电流环，电感电流作为反馈信号，误差电压是电流给定信号，两者比较产生自持振荡，形成两态（三态）调制器。由于电感电流与给定电流信号之间的约束关系，使得电感电流不再是独立变量。
　　当输入电压或负载变化引起输出电压变化时，都将引起电感电流变化率的改变，使功率开关的转换时刻变化，从而控制了功率开关的占空比。这对输入电压的变化而言，电流内环实质上起到了前馈控制作用，即输入电压变化尚未导致输出电压变化，就由电流内环产生调节作用。由于电流内环具有快速的响应，从分析整个系统的瞬态可看出，对于电压反馈外环，电流内环相当于一个受控放大器，外环的瞬态响应速度仅决定于滤波电容Cf和负载性质，所以整个系统具有快速的瞬态响应。对整个系统而言，LC滤波器对稳定性影响减小，二阶环节（LC）的输出滤波器降低为一阶环节（C）[3-6]。也就是说，整个系统除内环外，只有一个与滤波电容有关的比例积分环节和一个与负载有关的一阶或二阶环节，具有高度的稳定性。

4、新颖的输出滤波器可控阻尼抑制技术

4.1　可控阻尼LC输出滤波器

　　变换器常规输出滤波器等效电路如图4a所示，输出电压uO对滤波器前端电压uAB的传递函数为