开关型功率变换器的研究与设计

摘要：电压型控制是开关型功率变换器最常见的控制方式。瞬态分析和控制设计的常用方法是频域法，即在频域内研究分析开关电源的瞬态性能。经过实验和工程实践，证明了理论分析的正确性。

关键词：开关型；单环反馈控制；电压型；频域响应；传递函数

1 引言

能源和交通在经济建设中的巨大作用是尽人皆知的。随着社会的高速发展，节能和环保是每一个电力电子技术工作者需要重新认识的课题。作为电力电子技术的核心——电能变换技术也得到了日新月异的发展，已从线性功率变换发展到高频开关型功率变换。高频功率变换使电源产品信息化，节能和环保成为可能，为此，有必要对开关型功率变换器的控制和设计作一些研究和探讨。

为了使输出电压自动稳定，不随运行条件或环境的变化而变化，必须采用某种控制模式。开关电源的控制模式分为闭环控制和开环控制两种。闭环反馈控制常用的有电压型控制，电流型控制，单周控制三大类。开环结构常用的有前馈控制。其中电压型控制是最常见的一种控制方式，本文就电压型控制作一些讨论。

2 电压型控制

电压型控制（Voltage mode control）是开关变换器最基本的一种控制方式，属于单环负反馈控制。其实质是：输出电压被检测后，与给定（基准）值V_ref比较，误差经放大后，作用于脉宽调制（PWM）电路，驱动功率开关管，形成反馈。恒频下驱动脉冲宽度为DT_s，D为占空比，T_s为开关周期。因此，最基本的开关稳压电源是一个单闭环反馈控制系统，以下简称开关电源。

采用电压模式控制的开关电源的控制系统为单一的电压控制环，该系统有一高Q值的开环共扼极点，在开环频率特性曲线上表现为一个很高的谐振峰，使系统倾向于振荡。为了消除共扼极点对系统稳定性造成的不利影响，通常采用PI或PID调节器对系统开环频率特性进行校正，而这种校正方法降低了系统低频的增益，使系统响应变慢，动态特性变差,必须等到控制系统检测出电压变化，才能产生负反馈调节作用，D不能瞬时响应。下面以DC/DC开关电源为例，说明其控制原理。

DC/DC开关变换器的输出电压V_o与占空比及变压器的匝比n有关，即V_o=f(D，n)。任何原因使输出电压V_o变化时，由于系统的负反馈控制作用，PWM输出脉冲宽度（即占空比D）自动调整，从而自动实现稳压，使V_o的变化保持在给定值附近的允许范围之内。设功率电路为DC/DC Buck变换器，电压型控制的开关稳压电源如图1所示。输出电压的取样KV_o与参考电压V_r比较，经误差放大器放大后，V_e为误差放大信号。V_e与锯齿波电压V_T比较后，产生占空比为D的脉冲，作用于驱动器。

图1 电压型控制

采用电压模式控制，其优点是：只有电压环，单环控制容易分析和设计；波形振幅坡度大，因而噪声小，工作稳定；多模块输出时，低阻抗输出能提供很好的交互控制。缺点是：电网或负载的扰动必须转化为输出扰动，才能被电压环反馈，因此系统响应慢；输出LC滤波电路给系统增加了两个极点，这就需要在补偿网络增加零点或者需要一个低转折频率的主极点；环路增益随输入电压而变化，因而补偿网络设计较复杂。

3 电压型控制的频域分析

用时域法综合确定控制器参数是在开关电源初步设计完成后，在开关电源输入端加阶跃输入，测量开关电源样品的阶跃输入响应；若瞬态响应不满足要求，则修改控制器参数，然后重复实验，直到满足要求为止。可见，时域综合法是一种试探法，用于工程设计十分不方便。故开关电源的小信号分析与综合都用频域法。因此，对开关电源进行频域分析是工程实践的需要。

3.1 频域模型

采用频率特性作为数学模型来分析和设计系统的方法称为频率特性法。利用频率特性法分析开关型功率变换器要应用经典控制理论的基本概念和方法，利用方块图，传递函数等。在复频域（s域）内对开关型功率变换器进行交流小信号分析。频域分析法包括零点极点分析、频率特性分析及频率响应分析等。

设系统的传递函数为G(s)，输入量和输出量为x(t)和y(t)，t表示时间，则有

G（s）=Y（s）/X(s)=N(s)/D(s)=N(s)/(s－P₁)(s－P₂)…(s－P_n)

当(s－P₁)(s－P₂)…(s－P_n)=0时，称为系统的特征方程，其解P₁、P₂、…、P_n称为系统的极点。闭环传递函数G（s）的分子多项式N（s）=0时，其解称为系统的零点。极点和零点的类型决定系统的稳定性。结合开关型功率变换器，假设在小信号扰动下，给定（参考）电压V_r=0,控制量为占空比D。

负载电流I_o(s)和输入电压V_i(s)为开关变换器的扰动;

G(s)=V_o(s)/D(s)为开关变换器的“控制－输出”传递函数；