开关电源两种控制方式的比较分析

中心议题：
    *  并联式双环控制方式分析
    *  串级型双环控制方式分析
    *  两种控制方式的比较
解决方案：
    *  串级型更适合于并联运行的模块化电源
    *  串级型更适应于输入电压变化范围大的应用场合

1引言

开关电源是一个闭环的自动控制系统，开关电源的控制环节的设计是其设计的重要组成部分。其常用的设计步骤是对主电路建立小信号模型，作出开环波特图，然后根据性能指标要求，运用经典自动控制理论，设计校正系统，使系统具有良好的稳态和暂态性能。很多研究者对开关电源的控制系统进行了分析。

应用在电力领域的开关电源一般要求能工作在恒压和恒流两种模式，在控制上有两种常用的实现方式：一种是采用并联式双环控制，在系统中建立两个独立的电压环和电流环。这种控制方式简单稳定，容易设计，稳定时只工作在某个单环控制下，两个控制环不会互相干扰，可以保证很好的恒压和恒流精度。另一种是采用串级式双环控制，当系统工作在恒压模式下时是用双环控制，工作在恒流模式下是用单环控制。

电力操作电源一般为并联工作的模块式电源，在这种并联运行的电源中限流特性十分重要，否则当一台模块退出工作时，其它模块会因不能及时限流而引起连锁反应，相继保护退出工作。另外，从控制的角度来说，减小运行参数对控制系统稳定性的影响，增强系统的鲁棒性是很重要的。本文通过对两种控制方式进行建模分析，对两种控制方式的限流速度和控制稳定性进行了比较，并通过实验得到了验证。

2两种控制方式分析

21并联式双环控制方式

这种控制方式电路原理图如图1所示，使用两个并联的单环分别实现电路的恒压和恒流功能，电压环PI调节器输出和电流环PI调节器输出均通过一个二极管接到三角波比较器的正输入端，电路工作时，若电压环PI调节器输出UV1小于电流环PI调节器输出UC1，则DV1导通，电路工作在电压环控制模式；反之DC1导通，电路工作在电流环控制模式。这种控制方式下，在稳定工作时，电压环和电流环只有一个环在工作，不会互相干扰。而且单环控制的设计和分析都相

图1并联式双环控制方式的电路原理图

图2电压环单环控制模式下的电路方框图

图3电流环单环控制模式下的电路方框图

图4电压环单环开环波特图
 

图5电流环单环开环波特图

对简单。但由于电压环和电流环的调节器输出端接在一起，在过渡过程中，特别是当两个环之间进行切换时，会形成相互干扰，可能会导致电路工作不稳定。

图2是工作在电压环单环控制模式时的电路方框图。图3是工作在电流环单环控制模式时的电路方框图。图2、图3中：

H为输出电压采样系数，H=R2/(R1＋R2)；

FM为脉宽调制器的传递函数，FM=1/UPP，（UPP为三角波峰峰值）；

GV(s)为电压环PI调节器的传递函数；

GdV(s)为主电路的占空比对输出电压的开环传递函数；

Ki为电感电流采样系数；

Gi(s)为电流环PI调节器的传递函数；

Gdi(s)为主电路的占空比对电感电流的开环传递函数。GV(s)=(1)GdV(s)=×(2)Gdi(s)=×(3)

式中：Uin输入直流母线电压；

L为输出滤波电感值；

RL为滤波电感的电阻；

C为输出滤波电容；

RC为滤波电容的串联等效电阻；

R为负载电阻。

由图2可得电压环单环的开环传递函数为：

Tvo1(s)=HFMGV(s)GdV(s)（4）

由图3可得电流环单环的开环传递函数为：

Tio1(s)=KiFMGi(s)Gdi(s)（5）

将如图1所示的实际电路参数代入式(4)和(5)，其中Uin=515V，Upp=3.5V，Ki=0.1。做出波特图。图4为电压环开环波特图，其剪切频率为1.5kHz，相位裕量为28°。图5为电流环开环波特图，其剪切频率为10kHz，相位裕量为81°。
 

2.2串级型双环控制方式

这种控制方式的电路原理图如图6所示，它在结构上将两个单环串联起来，同样也能实现电路恒压和恒流两种工作方式。当D3导通时，电路工作在恒流模式，此时，电压环不起作用，电路相当于单环控制，其电路方框图和传递函数同图1所示电路工作在恒流模式是一样的，不再重复。当D3截止时，电路工作在恒压模式下，电路采用串级双环控制，电流环作为电压环的内环，电压环PI调节器的输出UV2作为电流环PI调节器的给定。其电路方框图如图7所示，在设计参数时，先设计电流环的调节器，获得稳定的内环，然后得到电流环的闭环传递函数Tic(s)，并将其作为电压环的一个环节，如图8所示，然后设计电压环的调节器。这种控制方式的最大的优点是很好地解决了电路的限流问题，使电路具有最快的限流响应速度。但是这种控制方式的实际限流给定是限流值Uiref加上D3的管压降，因为D3的管压降与通过它的电流有关，所以这种控制方式的稳流精度不如前面那种控制方式，但可以通过调节电阻R3，减小D3管压降的变化量，以提高这种控制方式的稳流精度。

图8电压环双环控制方式下的等效电路方框图

图6串级型双环控制方式的电路原理图

图7电压环双环控制模式下的电路方框图

图9双环控制方式下电压环的开环波特图

图7和图8中，Z(s)为负载和输出电容支路的并联阻抗：Z(s)=（6）

其它函数在上面已经定义，就不再复述。

根据图7，得到电流环（内环）的闭环传递函数为：Tic(s)=(7)
 

然后由等效方框图图8可得，电压环的开环传递函数为：

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

为了便于比较两种控制系统特性，串级型双环控制方式下的控制参数与并联型双环控制方式下的控制参数一致。将如图6所示的实际电路参数代入式（8），其中Uin=515V，Upp=3.5V，Ki=0.1。得到串级型双环控制方式下电压环的开环波特图，如图9所示。其剪切频率为378Hz，相位裕量为98°，稳定裕量为59dB。

3两种控制方法的比较

31串级型双环控制方式具有更快的限流响应速度

在并联型双环控制方式下，当系统的工作状态由恒压模式切换到恒流（限流）模式时，由于存在一个切换的过渡过程，往往会导致限流速度太慢，甚至发生两个环交互作用，互相干扰而导致系统的不稳定。因为当电路工作在恒压模式时，此时的输出电感电流平均值比限流设定值低，所以电流环PI调节器正向饱和输出UC1，这时负载突然增大，并且电感电流平均值大于限流值，但电路并不是立即进入限流状态，而是要等到UC1的输出从正向饱和状态退出并且降到比电压环PI调节器输出UV1低时，此时DC1才导通，限流环才开始起作用。这样就会有可能带来两个问题：一是如果这段时间太长，系统有可能因为不能及时限流而导致过流保护；二是如果电流环和电压环的响应速度比较接近时，则在这个过渡过程中有可能两个环交错作用，互相干扰，导致系统的不稳定。图10所示波形是当两台模块并联运行时，关掉一台模块，另一台模块过流保护时输出滤波电感电流的波形，其波形是采用霍尔传感器得到的，检测系数为20:1，通道1为模块1输出滤波电感电流波形，通道2为模块2输出滤波电感电流波形，实验条件为：两台并联工作输出42A，模块的限流值为25A。此时关掉模块1，对于模块2相当于突然增加一倍负载，由图中可见，由于模块2的限流环不能及时作用，导致其过流保护。

图11显示了通道1为电压环PI调节器输出UV1，通道2为电流环PI调节器输出UC1。负载没有突变时，系统工作在电压环单环控制模式，此时UV1决定电路的占空比；UC1饱和输出，（在实验电路中为了加快其响应速度，将它限幅在6V）电流环不工作。当负载突增，输出电压下降，因此UV1上升，当电感电流平均值超过限流值时，UC1下降，但在电路中由于电压环和电流环的速度接近，使它们在过渡过程中交错作用，导致系统的不稳定。

而系统采用串级型双环控制方式时则不会有此类问题，因为在这种情况下，电路工作在恒压模式时，说明电压环PI调节器的输出小于限流环设定，D3截止，但电流环作为内环仍然在工作着。同样如果此时负载突然增加，则由于输出电压降低，所以电压环的PI调节器输出增加，当UV2大于限流值时，D3导通，系统则工作在恒流模式。从电路结构中看，这种控制方式是对电压环PI调节器的输出进行限幅，限幅值就是电流环的限流值Uiref，这样一旦电压环PI调节器的输出大于限流值Uiref,系统就立即进入限流状态，从而使系统具有最快的限流响应速度。图12是当两台模块并联运行时，关掉一台模块，另一台模块快速限流时的输出滤波电感电流波形。通道1、通道2分别为模块1、模块2的输出滤波电感电流，电流检测系数为20:1。此时模块的限流值和保护值不变。同样两台模块也是并联工作，输出42A。然后关掉模块1，由图12可见，采用串级型双环控制后，模块2快速限流，并且无超调。

32串级型双环控制方式具有更好的系统稳定性能


图10并联型双环控制方式下突变负载引起过流保护

图11并联型双环控制方式下负载突变引起电压环和电流环交错作用
 

图12串级型双环控制方式下负载突变模块能够迅速限流

图13电压环单环控制下变化输入电压对系统开环波特图的影响

图14电压环双环控制下变化输入电压对系统开环波特图的影响

在并联型双环控制方式下，主电路小信号模型的增益与输入电压有关。此时不管是采用PI或是PID控制，当输入电压在较大范围内变化时，都会对系统的稳定性和剪切频率造成影响，这样就给控制调节器的设计带来了困难，如果控制调节器设计得比较临界，甚至有可能导致系统的不稳定。图13是系统工作在电压环单环控制方式下，变动输入电压得到一组系统的开环波特图。由图13可得当Uin=200V时，系统的相位裕量为39°，剪切频率为1kHz；当Uin=400V时，系统的相位裕量为29°，剪切频率为1.3kHz；当Uin=600V时，系统的相位裕量为28°，剪切频率为1.6kHz。可见，随着输入电压Uin的变化，系统的稳定性和响应速度都在发生变化，因此在设计控制器的时候必须考虑到系统工作在输入电压的全范围均能良好工作，这样就使设计控制器变得比较复杂。

而当系统工作在串级型双环控制方式下时，输入电压对系统特性几乎没有影响，图14是系统工作在串级型双环控制方式下，变动输入电压得到一组系统的开环波特图。

由图14可得当Uin分别为200V，400V，600V时，系统的相位裕量为98°，剪切频率为375Hz，均没有变化。可见随着输入电压的变化，系统开环波特图在中低频段几乎没有变化，仅仅在高频段有些影响，但这对系统性能影响很小。这样系统不仅具有更好的稳定性能，而且使控制器的设计变得简单许多。

4结语

本文对应用于开关电源中的并联型双环控制方式和串级型双环控制方式进行了建模和对比分析，得出以下结论：

（1）串级型双环控制方式较并联型双环控制方式具备更快的限流响应速度，因此串级型双环控制方式更适合于并联运行的模块化电源，如电力操作电源。

（2）串级型双环控制方式较并联型双环控制方式对系统的运行参数具有更好的鲁棒性，因此串级型双环控制方式更适应于输入电压变化范围大的应用场合。