开关型功率变换器的研究与设计

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1、开关型功率变换器的研究与设计

2、第1内容加载中...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

3、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

4、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－Pn)当(s－P1)(s－P2)…(s－Pn)=0时，称为系统的特征方程，其解P1、P2、…、Pn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Vr=0,控制量为占空比D。

5、负载电流Io(s)和输入电压Vi(s)为开关变换器的扰动;G(s)=Vo(s)/D(s)为开关变换器的“控制－输出”传递函数；F(s)=D(s)/Io(s)为“输入电压－控制”传递函数；Zo(s)=Vo(s)/Io(s)为开关变换器的输出阻抗。3.2频域性能指标根据幅频和相频特性，可列出自动调节系统的频域性能指标，即1）相角裕度y；2）幅值裕度Kg；3）谐振频率ωr；4）幅频特性谐振峰值Mr；5）闭环频率响应的带宽。带宽与响应速度成正比，可近似用增益交界频率表示；但带宽大，高频噪声也大。对开关变换器来说，还有

6、下述两个重要的频域性能指标，即1）抗电网扰动能力，即闭环音频纹波衰减率（audio-susceptibility）A(s)=Vo(s)/Vi(s)2）抗负载扰动能力，用闭环输出阻抗Zo=Vo(s)/Io(s)表示。开关变换器的两个重要性能指标是负载调整率和电压调整率，即用来衡量当负载电流Io(s)和输入电压Vi(s)扰动时，输出电压的稳定精度。反映在频域内，即要求A(s)、Zo的极点和零点在左半平面。3.3对数频率特性频率特性对数坐标图又称Bode图或对数频率特性图，从Bode图上很容易看出某些参数变化和某些

7、环节对系统性能的影响，因此，Bode图是设计变换器闭环控制系统的有力工具。Bode图包括幅频特性图和相频特性图，分别表示幅值和相角与角频率之间的关系，即幅频特性描述增益

8、G(jω)

9、与ω的关系：20log

10、G(jω)

11、～logω。以dB为单位，其斜率用dB/dec表示。相频特性描述相位∠G(jω)与ω关系：∠G(jω)～logω。某一频率的相位与幅频特性变化率有关，相频特性斜率用°/dec表示。3.4极点和零点在复平面（s=σ＋jω）上，使G(s)无穷大的点，称为G（s）的极点；使G（s）=0的点，称为G（s

12、）的零点。控制系统的稳定性由闭环极点唯一确定，而控制系统过渡过程C（t）的基本特性由闭环极点及闭环零点共同决定。位于s右半平面（RHP）的极点和零点，称为RHP零点或RHP极点；位于S左半平面（LHP）的极点和零点，称为LHP零点或LHP极点。由控制系统稳定条件可知，控制系统稳定的必要和充分条件是系统特征方程的根全部具有负实部。即开关型功率变换器的闭环传递函数的极点都是LHP极点时，系统才是稳定的。3.5系统频率响应与系统稳定性和系统瞬态响应的关系1）系统的稳定性和稳定裕度开关型功率变换器是一个闭环自动控制系

13、统，为了保证系统始终正常工作，不仅要求系统是稳定的，而且要求它具有足够的稳定裕度。系统的稳定裕度称为相对稳定性，一般采用相角裕度和幅值裕度来定量表示。相角裕度γ=∠G(jωc)－（－180°）=180°＋∠G(jωc)ωc可由

14、G(jω)

15、=1求得。幅值裕度Kg=－20log

16、G(jω1)

17、式中：ω1为相频特性穿越－180°时的频率，称为相位交界频率。一个良好的开关型功率变换器的控制系统，通常要求γ