移相控制零电压开关PWM变换器电流模式控制分析

移相控制零电压开关PWM变换器电流模式控制分析

作者：郭健鹏,周鹏,李健,范梦萌,郭振东

来源：《中小企业管理与科技·下旬刊》2013年第02期

摘要：采用电流模式控制是移相控制零电压开关PWM变换器（PS-ZVS-PWM变换器）实现稳压源控制的模式之一。对该控制模式进行分析研究，并提出克服电流型控制模式主要缺点的方法。

关键词：PS-ZVS-PWM变换器 电流型控制 分析研究 1 概述

电压型控制模式是传统的PWM开关稳压电源主要采用的控制模式，只对输出电压采样并作为反馈信号实现闭环控制，来稳定输出电压。但仅采用电压方式稳压，有稳定性差，响应速度慢等缺点。电流型控制器正是针对其缺点发展起来的。它增加了一个电流环，很容易不受约束地得到完善的大、小信号特性和大的开环增益。下面以PS-ZVS-PWM变换器为例来分析研究其电流模式控制。 2 电流模式控制

移相控制零电压开关PWM变换器利用变压器的漏感和功率管的寄生电容来实现零电压开关，是中大功率直-直变换场合理想的方式之一。PS-ZVS-PWM变换器实现的稳压源的控制模式有电压模式控制和电流模式控制，下面采用电流模式控制进行分析。

电流模式控制是指在电压环内增加了一个电感电流反馈的电流内环的双闭环控制系统。其结构框图如图1所示[1]：

图1 平均电流模式控制系统结构框图

①电流控制器的设计[2，3，4]，这里简单取电流反馈系数Kif=1，（S）对输出的传递函数Gid（S）带入参数如式： G（S）= = （1）

则电流内环的控制对象为2Gid（S）。

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控制目标是把内环变为一个快速跟随环节，电流环节开环BODE图如图2所示： 电流控制器采用PI调节器。将PI调节器具体整定 为：

GACR（S）= （2）

调整后的电流内环的开环传递函数的BODE图如图3所示，其截止频率为1.26e4rad/sec，相角裕量为78.5deg；幅值裕量为inf。

②电压外环控制器的设计[2，3，4]，电流内环有很好的跟随性，因此在设计电压外环时可以把电流内环视为一个比例环节。由于电流反馈系数Kij=1，一次电流环节的比例增益为1。这时电压环结构变为如图4形式：

图4 将电流内环视为比例环节后电压外环的结构 被控对象的传递函数带入参数后为： GV（S）= （3）

被控对象的开环BODE图如图5所示：

被控对象为一阶惯性环节，控制器AVR可采用单极点-单零点-PI补偿环节。 控制器整定为： GAVR（S）= （4）

调整后，电压环的开环传递函数的BODE图如图6所示，其开环截止频率为2.21e3rad/sec，相角裕量为73.3deg，幅值裕量为inf。 3 电流模式控制的优缺点分析

电流型控制的优势是：使输出滤波电感带来的系统的二阶特性和极点问题不存在，消除了系统有条件的环路稳定性问题；简化了短路和过载保护，在全桥和推挽电路中具有自动磁通平衡功能；具有快速的输入输出动态响应和良好的线性调整率。

电流型控制的劣势是：负载调整率变差，是因为控制环控制电流，对于多路输出的情况，实现交互调节时需要耦合电感；双环控制的需求，使电路设计和分析变得困难；在没有斜坡补偿时，因电流上升率较小，当占空比大于百分之五十时，抗干扰性能差，控制环境变得不稳定。

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针对电流型控制的缺点，采用简单斜坡补偿后，电流控制型引起的绝大部分问题都能得到满意解决，且不影响其优势的发挥[5]。 4 结论

由上述分析可见，电流型控制模式优于电压型控制模式，但是电流型控制模式并非是唯一选择。优先考虑使用电流型控制模式的情况有：要求尽可能地使用最少的元器件实现低成本的应用；在模块化应用中要求并联的负载均流特性好；针对功率变换电路，变压器的磁通平衡被要求很高；如果开关频率给定，需要具有最快的动态响应；输出电压很高或电源输出是一个电流源；用于输入电压经常有变化且是直-直变换器。根据具体的需要来选择控制类型，可设计出品质优良的开关电源。 参考文献：

[1]许海平.大功率双向DC_DC变换器拓扑结构及其分析理论研究[D].中国科学院研究生院，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- ational Conference on，17-20 Oct.2008：1814-1819.

[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- ual Conference of IEEE，3-5 Nov.2009：37-41.

[4]赵涛，王相，张海燕等.基于双闭环控制技术的开关直流稳流电源[J].中国科学技术大学学报，2007，第37卷，第1期：104-107.

[5]王创社，乐开端，谭玉山，杜忠.开关电源两种控制模式的分析与比较[J].电力电子技术，第3期，78-81页，1998.

作者简介：郭健鹏（1984年-），男，山西太原人，本科，助理实验师，研究方向：电力电子。