电压控制型开关调节系统,是将采样网络检测到的电压信号作为反馈信号实现闭环控制。系统中只有一个电压环,属单环控制,其特点是结构简单、设计方便。但当系统受到某种扰动作用时(如电源电压变化、元器件参数变化等),只有等到输出电压发生变化以后,电压控制环才起调节作用。所以,在动态过程中,单环系统的输出电压可能会产生较大幅度的波动,如图2-24所示,严重时甚至造成系统不稳定。
根据最优控制理论,若能实现全状态反馈,则系统是最优控制系统,因为它可实现动态响应的误差平方积分(Integral Square Error,ISE)指标最小。由本书第1章表1-2可知,常用基本的DC-DC变换器交流小信号特性是二阶的,即存在两个状态变量,如电感电流和电容电压。所以在开关调节系统中取输出电压和电感电流两种反馈信号实现双环控制是符合最优控制规律的[2]。
为了提高系统的动态性能,可引入电流反馈实现双环控制。双环开关调节系统的原理框图如图2-26所示。图中I/U表示电流采样器,将主电路的电感电流iL、或开关管的电流或整流二极管的电流变换为电压信号uRs。VA是电压控制器,将输出电压U与参考电压Uref相比较产生误差电压信号uCP,为电流控制环提供一个控制信号。CA是电流控制器,将电流采样器的输出电压uRs与参考电压uCP相比较产生控制电压uCA并作用于开关控制器,将模拟量调制为脉冲量d(t)。电流控制环是由部分开关变换器、电流采样器I/U、电流控制器和开关控制器等组成。如果将电流控制环等效为一个新的功率级,称之为等效功率级,如图2-26所示点划线框即为等效功率级电路,则等效功率级和电压控制器可组成电压控制环。这种双环控制,形成了电流控制环为内环,能实现电流自动调节;电压控制环为外环,能实现电压自动调节。
电流控制的特点:
图2-26 双环开关调节系统的原理框图
(1)能改善了开关调节系统的瞬态特性。系统的动态响应速度快、调节性能好,过冲电压幅值小。(www.daowen.com)
(2)能限制功率开关管的最大电流值。由电压控制器的输出信号uCP提供最大电流的限制信号,限制功率开关管的最大电流或平均电流,可实现过电流保护。
(3)能在多个变换器并联运行时改善均流效果。多个开关变换器并联运行时,需要实现每个变换器均匀地输出电流。采用双环控制系统时,其结构中只有一个总的电压控制器,能为每个电流控制器提供相同参考信号uCP。每个开关变换器有独立的电流控制环,使每个变换器的输出电流均受uCP信号控制,能够实现几台开关变换器之间的负荷的自动分配。
(4)能改善整个系统的音频衰减率。电流反馈有利于提高整个系统的音频衰减率,扩展系统输入电压的范围,并允许输入电压有较大的交流成分,可减少输入滤波电容的电容量,提高系统的可靠性。
(5)能改善开关调节系统的稳定性。电流控制环的控制对象为一阶积分或近似一阶积分环节,故电流环有很好的稳定性能。由电流控制环等效的新功率级是电压控制环的控制对象,为一单极点型控制对象。因此,电压控制环的相位裕度大、能改善系统的稳定性。
常用的电流控制根据采样信号的不同有平均电流控制和峰值电流控制两类。
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