DC/DC变换器的前馈控制原理及实现

    图4 电压型脉宽调制(PWM)

    如图4所示，电压型脉宽调制(PWM)环节的比较器CP将调制信号uv与锯齿波时钟信号相比较，其输出为周期不变，脉冲宽度即占空比d(t)受uv调制的一系列脉冲信号δ(t)，d(t)= uv/VM。

    图5 输入电压前馈控制系统原理图

    如图5所示，可利用乘法器和运放电路补偿PWM调制信号uv实现对输入电压扰动量的完全补偿，vr(t)=uz=k2`ux(t) uv，ux(t)=k1vin(t)，而d(t)= uv/VM，故图4所示前馈系统的占空比调制函数为

    (7)

    前馈控制系统的占空比调制常数 为

    A=1/(k1k2VM) (8)

    如式(5)，前馈控制系统的开环增益 为

    K=mA/n (9)

    由式(6)，参考变量vr(t)的稳态给定值为

    Vr= Vo/K (10)

    本文所述的输入电压前馈控制原理属非线性完全补偿前馈控制。Buck型变换器前馈系统为二阶线性系统，开环稳定，可开环运行，并实现对输入电压扰动的动态不变性。

    5 Buck型变换器前馈-反馈复合控制系统

    与传统的反馈控制相比较，前馈控制动态响应快，但静态准确性不够;反馈控制则是动态响应慢，但静态准确性很高，可实现无差调节。两者结合的前馈-反馈复合控制，优点相互补充。

    图6 Buck型变换器的前馈-反馈复合控制系统

    图6是Buck型变换器前馈-反馈控制系统的动态传递函数结构图。图中G(s)是前馈系统开环传递函数，Gc(s)是反馈补偿控制器的传递函数。反馈补偿控制器的输出作为前馈补偿控制器的给定参考变量vr(t)。采用线性系统经典的反馈补偿方法进行反馈环路的设计。本文对此不作累述。

    6 仿真研究结果

    按照本文的输入电压前馈控制原理及实现方法，在非隔离Buck变换器上分别构建开环前馈控制系统、反馈控制系统和前馈-反馈复合控制系统，额定输入电压48V，开关频率40kHz。利用SIMetrix软件进行仿真研究的结果如下。

    图7 开环前馈控制系统的动态特性

    图7为参考变量vr(t)阶跃变化，vin(t)包含峰-峰值10V/100Hz的扰动分量时，Buck变换器开环前馈控制系统的输出电压vo(t)的动态响应特性。由图7可见，输出电压vo(t)不受输入电压扰动的影响，仅受参考变量vr(t)控制，且满足静态线性控制关系，即Vo∝Vr。这验证了本文前馈控制原理的正确性。(b)前馈-反馈复合控制系统

    图8 输入电压阶跃扰动下的输出电压动态响应

    图8(a)、(b)分别为Buck变换器的反馈控制系统和前馈-反馈复合控制系统在输入电压vin(t)的阶跃扰动下，其输出电压vo(t)的动态响应过程。由图8可见，与反馈控制系统相比，前馈-反馈复合控制系统对输入电压扰动的动态响应极快，动态调节时间近似为零，前馈-反馈复合控制系统实现了对输入电压扰动的动态不变性。这验证了本文输入电压全补偿前馈控制原理及实现方法的正确性。

    7 结语

    (1)本文所述的前馈控制原理可实现对输入电压扰动的动态不变性，属非线性完全补偿前馈控制;考虑各种误差因素，工程上可实现Buck型DC/DC变换器对输入电源扰动的高速动态响应，快速补偿输入电源扰动，削弱甚至基本消除输出电压中包括工频在内的低频纹波，改善开关变换器的动态性能。

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    (2)可按本文所述的前馈控制原理设计带输入电压前馈控制的电压型PWM控制芯片，专用于连续导电(CCM)工作模式的Buck型DC/DC变换器，实现开关电源针对输入电源扰动的高速动态响应设计。

    (3)在需要快速消除输入电压扰动影响，同时不需要对输出电压进行精确的无差控制，甚至不能提供输出电压的测量信号的场合，Buck型变换器可设计为开环前馈控制系统。

    (4)在需要快速消除输入电压扰动影响，同时需要对输出电压进行静态无差控制的场合，电压型PWM控制的Buck型变换器系统可引入输入电压前馈控制，设计为前馈-反馈复合控制系统。

    参考文献

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    作者简介

    石安辉(1978—)，男，硕士，讲师，研究方向为电力电子的建模与控制，主要从事电力电子/电源变换专业方向的科研与教学。Email: hianui@163.com

    吴 强(1961—)，男，副教授，主要从事继电保护、自动装置、电气设备、用电管理等专业方向的科研与教学。Email: wuqiang1961@yahoo.com.cn ■

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