１引言
开关电源是一个闭环的自动控制系统，开关电源的控制环节的设计是其设计的重要组成部分。其常用的设计步骤是对主电路建立小信号模型，作出开环波特图，然后根据性能指标要求，运用经典自动控制理论，设计校正系统，使系统具有良好的稳态和暂态性能。很多研究者对开关电源的控制系统进行了分析[1][4]。
应用在电力领域的开关电源一般要求能工作在恒压和恒流两种模式，在控制上有两种常用的实现方式：一种是采用并联式双环控制，在系统中建立两个独立的电压环和电流环。这种控制方式简单稳定，容易设计，稳定时只工作在某个单环控制下，两个控制环不会互相干扰，可以保证很好的恒压和恒流精度。另一种是采用串级式双环控制，当系统工作在恒压模式下时是用双环控制，工作在恒流模式下是用单环控制。
电力操作电源一般为并联工作的模块式电源，在这种并联运行的电源中限流特性十分重要，否则当一台模块退出工作时，其它模块会因不能及时限流而引起连锁反应，相继保护退出工作。另外，从控制的角度来说，减小运行参数对控制系统稳定性的影响，增强系统的鲁棒性是很重要的。本文通过对两种控制方式进行建模分析，对两种控制方式的限流速度和控制稳定性进行了比较，并通过实验得到了验证。
2两种控制方式分析
21并联式双环控制方式
这种控制方式电路原理图如图1所示，使用两个并联的单环分别实现电路的恒压和恒流功能，电压环PI调节器输出和电流环PI调节器输出均通过一个二极管接到三角波比较器的正输入端，电路工作时，若电压环PI调节器输出UV1小于电流环PI调节器输出UC1，则DV1导通，电路工作在电压环控制模式;反之DC1导通，电路工作在电流环控制模式。这种控制方式下，在稳定工作时，电压环和电流环只有一个环在工作，不会互相干扰。而且单环控制的设计和分析都相对简单。但由于电压环和电流环的调节器输出端接在一起，在过渡过程中，特别是当两个环之间进行切换时，会形成相互干扰，可能会导致电路工作不稳定。
图1并联式双环控制方式的电路原理图
图2电压环单环控制模式下的电路方框图
图3电流环单环控制模式下的电路方框图
图4电压环单环开环波特图
图5电流环单环开环波特图
图2是工作在电压环单环控制模式时的电路方框图。图3是工作在电流环单环控制模式时的电路方框图。图2、图3中：
H为输出电压采样系数，H=R2/(R1+R2);
FM为脉宽调制器的传递函数，FM=1/UPP，(UPP为三角波峰峰值);
GV(s)为电压环PI调节器的传递函数;
GdV(s)为主电路的占空比对输出电压的开环传递函数;
Ki为电感电流采样系数;
Gi(s)为电流环PI调节器的传递函数;
Gdi(s)为主电路的占空比对电感电流的开环传递函数。GV(s)=(1)GdV(s)=×(2)Gdi(s)=×(3)
式中：Uin输入直流母线电压;
L为输出滤波电感值;
RL为滤波电感的电阻;
C为输出滤波电容;
RC为滤波电容的串联等效电阻;
R为负载电阻。 [内容是第 一 电 源网收集于互联网]
由图2可得电压环单环的开环传递函数为：
Tvo1(s)=HFMGV(s)GdV(s)(4)
由图3可得电流环单环的开环传递函数为：
Tio1(s)=KiFMGi(s)Gdi(s)(5)
将如图1所示的实际电路参数代入式(4)和(5)，其中Uin=515V，Upp=3.5V，Ki=0.1。做出波特图。图4为电压环开环波特图，其剪切频率为1.5kHz，相位裕量为28°。图5为电流环开环波特图，其剪切频率为10kHz，相位裕量为81°。
2.2串级型双环控制方式
这种控制方式的电路原理图如图6所示，它在结构上将两个单环串联起来，同样也能实现电路恒压和恒流两种工作方式。当D3导通时，电路工作在恒流模式，此时，电压环不起作用，电路相当于单环控制，其电路方框图和传递函数同图1所示电路工作在恒流模式是一样的，不再重复。当D3截止时，电路工作在恒压模式下，电路采用串级双环控制，电流环作为电压环的内环，电压环PI调节器的输出UV2作为电流环PI调节器的给定。其电路方框图如图7所示，在设计参数时，先设计电流环的调节器，获得稳定的内环，然后得到电流环的闭环传递函数Tic(s)，并将其作为电压环的一个环节，如图8所示，然后设计电压环的调节器。这种控制方式的最大的优点是很好地解决了电路的限流问题，使电路具有最快的限流响应速度。但是这种控制方式的实际限流给定是限流值Uiref加上D3的管压降，因为D3的管压降与通过它的电流有关，所以这种控制方式的稳流精度不如前面那种控制方式，但可以通过调节电阻R3，减小D3管压降的变化量，以提高这种控制方式的稳流精度。
图6串级型双环控制方式的电路原理图
图7电压环双环控制模式下的电路方框图
图9双环控制方式下电压环的开环波特图
图7和图8中，Z(s)为负载和输出电容支路的并联阻抗：Z(s)=(6)
其它函数在上面已经定义，就不再复述。
根据图7，得到电流环(内环)的闭环传递函数为：Tic(s)=(7)
然后由等效方框图图8可得，电压环的开环传递函数为：
Tvo1(s)=HGV(s)Tic(s)Z(s)(8)
为了便于比较两种控制系统特性，串级型双环控制方式下的控制参数与并联型双环控制方式下的控制参数一致。将如图6所示的实际电路参数代入式(8)，其中Uin=515V，Upp=3.5V，Ki=0.1。得到串级型双环控制方式下电压环的开环波特图，如图9所示。其剪切频率为378Hz，相位裕量为98°，稳定裕量为59dB。
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