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

和方法。

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

和方法。