1 电压电流双环控制
为了实现输出电压电流均可控，通常采用电流模式控制，常用电流模式控制有峰值电流控制法和平均电流控制法。但是，峰值电流控制有以下几个缺点[1]：
① 占空比大于50%的开环不稳定性，存在难以校正的峰值电流与平均电流的误差；
② 闭环响应不如平均电流模式控制理想；
③ 容易发生次谐波振荡，即使占空比小于50%，也有发生高频次谐波振荡的可能性。因而需要斜坡补偿；
④ 对噪声敏感，抗噪声性差。因为电感处于连续储能电流状态，与控制电压编程决定的电流电平相比较，开关器件的电流信号上斜坡通常较小，电流信号上的较小噪声很容易使开关器件改变关断时刻，使系统进入次谐波振荡。
2 平均电流模式控制PWM
平均电流模式采用双闭环控制，其内环控制输出滤波电感电流，外环控制输出电压，提高了系统响应速度。图1为平均电流模式控制PWM的原理图。
图1 平均电流模式控制原理图
将误差电压信号Ue接至电流误差信号放大器的同相端，作为输出电感电流反馈的控制信号Uip。将带有锯齿纹波状分量的输出电感电流反馈信号Ui ，接至电流误差信号放大器的反相端，跟踪电流控制信号Uip。Ui与Uip的差值经过电流误差放大器放大后，得到平均电流跟踪误差信号UC。再由UC与三角锯齿波信号通过比较器比较得到PWM控制信号。UC的波形与电流波形Ui反相，所以，是由UC的下斜坡（对应于开关器件导通时期）与三角波的上斜坡比较产生控制信号。显然，这就无形中增加了一定的斜坡补偿。但为了稳定工作，要求电感电流的下降坡度不能大于晶振的坡度。
平均电流模式控制的优点是：
① 电感电流能够高度精确地跟踪电流控制信号；
② 不需要斜坡补偿；
③ 调试好的电路抗噪声性能优越；
④ 适合于任何电路拓扑对输入或输出电流的控制；
⑤ 易于实现均流。
3 小信号分析及电流、电压环PI调节器参数设计
这种控制方式有恒压和恒流两种工作方式。当D1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。当D1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Ue作为电流环PI调节器的给定。其电路方框图如图2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3所示，然后设计电压环调节器。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D1的管压降，因为D1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D1管压降的变化量，以提高这种控制方式的稳流精度。
图2 双环控制模式下的电路方框图
图3 电压外环等效方框图
图中符号表示：
H为输出电压采样系数；
Ki为电感电流采样系数；
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：
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
忽略输出滤波电感电容等效电阻的影响后为
式中：Udc输入直流母线电压；
n为副边与原边的匝比；
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。
Z(s) 为负载和输出电容支路的并联阻抗：
由图2可得，电流环（内环）的闭环传递函数为：
由等效方框图图3可得，补偿前电压环的开环传递函数为：
补偿前，双环控制方式下电压环的开环波特图见图4。
图4 双环控制方式下电压环的开环波特图（补偿前）
补偿后，电压环的开环传递函数为：
Tvob(s)=HGv(s)Tic(s)Z(s) （8）
补偿后，双环控制方式下电压环的开环波特图见图5。如图5所示，系统的相位裕量为45°，稳定裕量为50dB。
图5 双环控制方式下电压环的开环波特图（补偿后）
4 控制电路实现
采用集成芯片UC3525外加运放构成平均电流模式控制电路，并用单片UC3535外加逻辑电路的方式形成有限双极性控制的4路控制信号。如图6所示。
（1） 外环控制
电压给定信号与输出电压反馈信号经运放U1补偿比较得Ue，接到UC3525的内部误差放大器正相输入端：2脚作为反馈电流的控制信号Uip。当输出电流超过给定限流值时，D11导通，Uip被嵌在给定限流值上。
（2） 内环控制
采样电阻检测输出电流并通过电流检测放大器得电流反馈信号。接到UC3525的内部误差放大器反相输入端的1脚，与Uip进行比较。UC3525的9脚为反馈补偿端。
（3） 有限双极性控制
UC3525的4脚为同步信号输出，该信号作为D触发器U3的时钟信号，U3的Q端(1脚)和 端(2脚)既可得到占空比为50％相位相差180°的两组脉冲，Q11、Q12用于控制死区时间。
图6 单片UC3525构成有限双极性控制原理图
5 结论
通过以上设计，对高频开关电源控制的一些关键问题得到了基本解决办法，高频开关电源控制电路的实现，使发电厂及变电站大容量直流系统能够更加可靠的运行。 |
