移相控制零電壓開關PWM變換器電流模式控制分析

摘要：采用電流模式控制是移相控制零電壓開關PWM變換器（PS-ZVS-PWM變換器）實現穩壓源控制的模式之一。對該控制模式進行分析研究，并提出克服電流型控制模式主要缺點的方法。

關鍵詞：PS-ZVS-PWM變換器 電流型控制 分析研究

1 概述

電壓型控制模式是傳統的PWM開關穩壓電源主要采用的控制模式，只對輸出電壓采樣并作為反饋信號實現閉環控制，來穩定輸出電壓。但僅采用電壓方式穩壓，有穩定性差，響應速度慢等缺點。電流型控制器正是針對其缺點發展起來的。它增加了一個電流環，很容易不受約束地得到完善的大、小信號特性和大的開環增益。下面以PS-ZVS-PWM變換器為例來分析研究其電流模式控制。

2 電流模式控制

移相控制零電壓開關PWM變換器利用變壓器的漏感和功率管的寄生電容來實現零電壓開關，是中大功率直-直變換場合理想的方式之一。PS-ZVS-PWM變換器實現的穩壓源的控制模式有電壓模式控制和電流模式控制，下面采用電流模式控制進行分析。

電流模式控制是指在電壓環內增加了一個電感電流反饋的電流內環的雙閉環控制系統。其結構框圖如圖1所示[1]：

圖1 平均電流模式控制系統結構框圖

①電流控制器的設計[2，3，4]，這里簡單取電流反饋系數Kif=1，（S）對輸出的傳遞函數Gid（S）帶入參數如式：

G（S）= =

（1）

則電流內環的控制對象為2Gid（S）。

控制目標是把內環變為一個快速跟隨環節，電流環節開環BODE圖如圖2所示：

電流控制器采用PI調節器。將PI調節器具體整定

為：

GACR（S）= （2）

調整后的電流內環的開環傳遞函數的BODE圖如圖3所示，其截止頻率為1.26e4rad/sec，相角裕量為78.5deg；幅值裕量為inf。

②電壓外環控制器的設計[2，3，4]，電流內環有很好的跟隨性，因此在設計電壓外環時可以把電流內環視為一個比例環節。由于電流反饋系數Kij=1，一次電流環節的比例增益為1。這時電壓環結構變為如圖4形式：

圖4 將電流內環視為比例環節后電壓外環的結構

被控對象的傳遞函數帶入參數后為：

GV（S）= （3）

被控對象的開環BODE圖如圖5所示：

被控對象為一階慣性環節，控制器AVR可采用單極點-單零點-PI補償環節。

控制器整定為：

GAVR（S）= （4）

調整后，電壓環的開環傳遞函數的BODE圖如圖6所示，其開環截止頻率為2.21e3rad/sec，相角裕量為73.3deg，幅值裕量為inf。

3 電流模式控制的優缺點分析

電流型控制的優勢是：使輸出濾波電感帶來的系統的二階特性和極點問題不存在，消除了系統有條件的環路穩定性問題；簡化了短路和過載保護，在全橋和推挽電路中具有自動磁通平衡功能；具有快速的輸入輸出動態響應和良好的線性調整率。

電流型控制的劣勢是：負載調整率變差，是因為控制環控制電流，對于多路輸出的情況，實現交互調節時需要耦合電感；雙環控制的需求，使電路設計和分析變得困難；在沒有斜坡補償時，因電流上升率較小，當占空比大于百分之五十時，抗干擾性能差，控制環境變得不穩定。

針對電流型控制的缺點，采用簡單斜坡補償后，電流控制型引起的絕大部分問題都能得到滿意解決，且不影響其優勢的發揮[5]。

4 結論

由上述分析可見，電流型控制模式優于電壓型控制模式，但是電流型控制模式并非是唯一選擇。優先考慮使用電流型控制模式的情況有：要求盡可能地使用最少的元器件實現低成本的應用；在模塊化應用中要求并聯的負載均流特性好；針對功率變換電路，變壓器的磁通平衡被要求很高；如果開關頻率給定，需要具有最快的動態響應；輸出電壓很高或電源輸出是一個電流源；用于輸入電壓經常有變化且是直-直變換器。根據具體的需要來選擇控制類型，可設計出品質優良的開關電源。

參考文獻：

[1]許海平.大功率雙向DC_DC變換器拓撲結構及其分析理論研究[D].中國科學院研究生院，2005.

[2]Zhu Guo-rong，Qian Cuifeng，Luo xuexiao et al. Inverter Cutting Power Source with Double Close Loop Control[C].Electrical Machines and Systems，2008. ICEMS 2008. Intern-

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[3]M.E. Hervas，S.Vazquez，M.Reyes et al.A Dual-Loop PI controller for a DC/DC Full-Bridge Power Converter with ZVS modulation[C].Industrial Electronics，2009.IECON '09.35th Ann-

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[4]趙濤，王相，張海燕等.基于雙閉環控制技術的開關直流穩流電源[J].中國科學技術大學學報，2007，第37卷，第1期：104-107.

[5]王創社，樂開端，譚玉山，杜忠.開關電源兩種控制模式的分析與比較[J].電力電子技術，第3期，78-81頁，1998.

作者簡介：郭健鵬（1984年-），男，山西太原人，本科，助理實驗師，研究方向：電力電子。