电力电子学概论 - 功率控制理论导论

模块 1 至 3 着重于电力电子学、 线性稳压器、降压转换器以及升压转换器的 物理特性。 在本模块中，我们将介绍 用于管理这些功率转换器的控制系统。 模块 3包括深入了解 降压转换器的内容，降压转换器推导的 输出电压等于输入电压乘以占空比。 这表示，如果您的输入电压和输出电压 保持固定，降压转换器的占空比 应保持恒定。 在理想的无损系统中，就是这种情况。 但是遗憾的是，电源线路并非无损。 随着从输出线路拉出更多负载电流， 电损上升，此时如系统的占空比 固定，则这将导致 输出电压随负载电流增加而下跌， 反之亦然。 要统计负载电流中的变化， 需要实现控制系统以调整占空比 和调节输出。 与负反馈成对的控制器 正完全用于该用途。 控制理论的目标是 控制发电装置，在此情况下， 也就是降压转换器电路，从而其输出电流将遵循参考信号。 控制器的设计用途是 监控感应输出与参考输出之间的 差异，这将产生误差信号。 该误差信号回馈到控制器， 调节发电厂运作，在此情况下，也就是占空比， 从而使感应输出更为接近参考输出。 当适当应用时，反馈将降低或消除 稳态误差，不同负载 条件下的电路损失补偿将通过提高或降低占空比 实现。 反馈还将降低系统 对参数更改的敏感度，包括输入电压变化 和负载瞬态变化。 它用于稳定系统 并使电源设计师能够 修改频率的增益和相位， 这在功率转换器补偿方面尤为关键。 三个主要反馈控制拓扑 是滞环模式、电压模式以及电流模式。 所有三个拓扑均为业界广为流行的控制方法， 且各种方法均向系统提供唯一的好处及折衷。 重要的是要分别了解这些方法的 工作原理以选择适合您的应用的最佳类型。 我们将在接下来的数张幻灯片中更进一步 分别了解这些方法。 滞环控制常称作 继电器式控制，并可运用 开启时间恒定或关闭时间恒定等技术。 目前为止，它是最简单的控制方法 并在无补偿的情况下提供固有的稳定性。 输出电压依据参考比较器 进行监控，并且当输出电压 达到下阈值时，将开始新的 极周期。 脉冲将在恒定的开启时间后 或当输出电压达到上阈值时终止。 滞环控制以与时钟异步的 形式运行，这既是优势， 又可能限制系统设计。 由于它未计时，因此控制器 可立即响应使输出电压下跌至 下阈值的负载阶跃。 电压模式和电流模式控制器 必须等到直至下一时钟周期， 然后才发出电压偏差响应。 快速瞬态响应有助于限制在电源输出中 所需的昂贵 输出电容器的数量。 尽管具有快速、低瞬态响应的益处， 某些系统无法处理可变的开关频率 电源。 客户可能具有用于开关电源的 有限频谱窗口。 如果存在此情况，则应开发另一 与时钟同步的控制方法。 其他缺陷包括抖动和抗噪性能 需要足够输出纹波。 但是，可以轻松实施人工斜率 以解决这一问题。 一些原始的继电器式控制器 没有抗磁性饱和防护。 但是，今天的控制器应用了准固定频率的 操作和过流保护， 因此，这变得较少顾虑。 总而言之，对于重视易用性并 需要极快瞬态响应的电源， 滞环控制是很好的选择。 应注意了解 准固定频率操作及其对系统下游的 影响。 电压模式控制是用于调节输出电压的 经典的脉冲宽度调制控制方案。 其操作极易理解。 但在实践中它更难以实施， 这归因于所需的环路补偿。 电压模式控制将 PWM 与 时钟信号同步。 在每个时钟周期开始时， 控制开关已启用，电能将传递给 电感器。 误差信号，即空气放大器的补偿输出电压， 将与固定斜坡电压进行 比较。 当斜坡与补偿误差电压相交时， 控制器将禁用控制开关。 此时，控制开关 保持关闭，直至下个时钟脉冲。 由于斜坡简单且量大， 电压模式控制通常比滞环和电流模式控制 具有更好的抗噪性。 然而，此控制方案确实存在难题。 电感器会计入补偿网络因素， 它会在因 LC 滤波器产生的低频上 创建双极。 随着低成本陶瓷电容器越来越受欢迎， 补偿作业变得繁琐。 在所有电压模式控制器中， 输入电压变化影响了环路增益， 使补偿更为困难。 然而，现在更多电流模式控制器 使用输入前馈来保持整个线路电压的 环路增益不变。 在选择电压模式控制器时，必须考虑 这点。 总而言之，电压模式控制 是广泛使用的电压设计控制方案。 它具有极佳的噪声裕量和单个反馈 环路。 然而，补偿任务没有那么繁琐。 最后要讨论的拓扑 是电流模式控制。 电流模式最为直接并解决了电压模式的 补充难题，但是它具有其自身的缺陷。 电流模式控制器与时钟同步， 与在电压模式控制中相同。 在每个时钟周期开始时， 控制开关已启用，电能将传递给 电感器。 电流模式包含空气放大器， 它会比较参考的输出， 正如其对应的电压模式。 但是，电流模式还会在控制开关连通时 测量电感器电流。 在此架构下，当感应电流 与空气放大器电压交叉时，PWM 脉冲将 暂停。 这与电压模式不同， 其中，当空气放大器电压插入斜坡波形时， PWM 脉冲会停止。 上述电流模式架构的 一个优点是，它消除了环路的电感器， 提供单极传输功能， 它仅仅是输出电容器和负载电阻的功能。 从根本上而言，电流限制容易实现， 因为电感电流已取样。 峰值电流模式还会简化 交织多相的设计难题。 此控制的缺点很少。 最显著的是，开关切换噪音 可使开关电流样本受损 并过早关闭 PWM。 控制器必须通过前缘型消隐或一些其他方法 处理该问题。 控制器还需两个反馈环、 电压信号以及电流信号， 这将增加电路成本。 最后，众所周知，在 50% 或更高占空比下， 将出现次谐波振荡 电流模式控制。 通过斜率补偿技术可避免该问题， 但是它将复杂层添加到设计。 总之，有些人会将电流模式控制 视为最可靠的架构， 因为其具有固定的频率、并联性、 良好的瞬态响应以及补偿方便性。 但是，最佳控制方案取决于 系统需求，而在进行 控制决策前 应仔细检查。 这总结了模块四的控制理论