一、前言

　　開關(guān)電源系統(tǒng)是弱電控制強電的系統(tǒng)。開關(guān)電源系統(tǒng)主要可以分為主功率電路和控制電路兩部分。主功率電路是由變換器構(gòu)成。變換器是應(yīng)用功率半導(dǎo)體器件，對電能進行變換的裝置，變換量包括電壓、電流、頻率和波形等方面，以達到電能更好符合各種不同用電設(shè)備要求的目的。這是通過對功率半導(dǎo)體器件的開關(guān)的控制來實現(xiàn)的。因此主功率電路是開關(guān)電源控制系統(tǒng)中的被控對象，而控制功率半導(dǎo)體器件的開關(guān)以實現(xiàn)既定的性能是控制裝置的主要工作。將被控對象和控制裝置按照一定的方式連接起來，組成一個有機的總體，就構(gòu)成開關(guān)電源的控制系統(tǒng)，這樣的電路即為控制電路?？刂葡到y(tǒng)的工作方式有多種，其中最基本的一種是基于反饋控制原理的閉環(huán)控制系統(tǒng)。而大部分的開關(guān)電源控制系統(tǒng)是閉環(huán)控制系統(tǒng)。

　　二、閉環(huán)控制原理

　　通常，我們把被控量送回到控制系統(tǒng)的輸入端，與參據(jù)量相比較產(chǎn)生誤差信號的過程，稱為反饋。若反饋的信號是與參據(jù)量相減，使得產(chǎn)生的偏差越來越小，稱為負反饋。由于引入了被控量的反饋信息，整個控制過程成為閉合的，因此也稱閉環(huán)控制，如圖1所示。

圖1  反饋控制框圖

　　三、基本組成

　　控制裝置是由具有一定職能的各種基本元器件組成。系統(tǒng)的元器件按照職能分類主要有以下幾種：

　　測量單元：其職能是檢測被控制的物理量。這個被控量一般為主功率電路的輸出電壓、主功率電路的輸入電流等。

　　給定單元：其職能是給出與期望的被控量相對應(yīng)的參據(jù)量，即給定量。在開關(guān)電源系統(tǒng)中，給定量一般為直流常量或者是交流正弦量。

　　比較單元：其職能是將檢測到的被控制量的實際值與參據(jù)量進行比較，求出他們之間的偏差。

　　校正單元：即補償單元，用串聯(lián)方式或者反饋方式（并聯(lián)方式）等方式連接在系統(tǒng)中，以改善系統(tǒng)的性能。這個補償網(wǎng)絡(luò)是控制系統(tǒng)的核心部分，是決定控制系統(tǒng)性能的關(guān)鍵部分。可以通過由電阻、電容組成的無源或有源網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)，也可以通過MCU、DSP這些數(shù)字器件輔助實現(xiàn)。

　　四、外作用類型

　　一般加在開關(guān)電源系統(tǒng)上的外作用有兩種類型：一種是有用輸入，它決定系統(tǒng)被控量的變化規(guī)律，比如給定量；一種是系統(tǒng)不希望有的外作用，即擾動，它破壞有用輸入對系統(tǒng)的控制。在實際系統(tǒng)中，擾動是不可避免的。這樣的擾動包括：主功率電路輸入電壓的波動，主功率電路輸出電流的波動或者負載的波動，元器件參數(shù)的溫度漂移等。

      五、基本控制方式

　　反饋控制是系統(tǒng)最基本的控制方式，也是應(yīng)用最廣泛的一種控制方式。此外，還有開環(huán)控制方式和復(fù)合控制方式，它們都有著各自的特點和不同的應(yīng)用場合。

　　（1）反饋控制方式

　　如前面所提及，反饋控制方式是按照偏差進行控制的，其特點是不論什么原因使被控量偏離期望值而出現(xiàn)偏差時，必定會產(chǎn)生一個相應(yīng)的控制作用去減小或消除這個偏差，使被控量與期望值趨于一致?？梢?，按照反饋控制方式設(shè)計的控制系統(tǒng)，具有抑制任何內(nèi)、外擾動對被控量產(chǎn)生影響的能力，有較高的穩(wěn)態(tài)精度。

　　如圖2所示為電壓型控制Boost變換器控制框圖，電壓反饋控制技術(shù)是開關(guān)電源系統(tǒng)中經(jīng)典的反饋控制方法。這是60年代后期開關(guān)穩(wěn)壓電源剛剛開始發(fā)展就采用的第一種控制方法，該方法與一些必要的過電流保護電路相結(jié)合，至今仍然被廣泛的應(yīng)用。

圖2  電壓型控制 Boost 變換器控制框圖

　?。?）開環(huán)控制方式

　　開環(huán)控制方式是指被控裝置與被控對象之間只有順向作用而沒有反向聯(lián)系的控制過程。按這種控制方式組成的控制系統(tǒng)稱為開環(huán)控制系統(tǒng)，其特點是系統(tǒng)的輸出量不會對系統(tǒng)的控制作用發(fā)生影響。這種控制方式也稱為前饋控制、順饋控制。開環(huán)控制系統(tǒng)可以由按給定量控制的控制方式組成，也可以由按擾動控制的控制方式組成。

　　按給定量控制的開環(huán)控制系統(tǒng)，其控制作用直接由控制系統(tǒng)的輸入量產(chǎn)生，給定一個輸入量，就有一個輸出量與之相對應(yīng)，控制精度完全取決于控制電路所用的元器件以及主功率電路的特性，如圖3所示。這種控制方式?jīng)]有自動修正偏差的能力，抗擾動能力差。但由于其結(jié)構(gòu)簡單、調(diào)整方便、成本低，在精度要求不高或擾動影響較小的情況下，這種控制方式還是有一定的實用價值。

圖3  按給定量控制的開環(huán)控制系統(tǒng)

如圖4所示的采用電容的開關(guān)功率變換器，一般為多級變換電路中的其中一級，通常采用開環(huán)控制，效率和功率密度較高，容易實現(xiàn)開關(guān)，具有廣泛的應(yīng)用前景。

圖4  開環(huán)控制的開關(guān)電容功率變換器

　　按擾動控制的開環(huán)控制系統(tǒng)，是利用可測量的擾動量，產(chǎn)生一種補償作用，以減少或抵消擾動對輸出量的影響，如圖5所示。這種控制方式直接從擾動取得信息，并據(jù)此改變被控量，因此其抗擾動性好，控制精度也較高，但它只適用于擾動是可以測量的場合，而且一個補償裝置只能補償一個擾動因素，對其余擾動均不起補償作用。

圖5  按擾動控制的開環(huán)控制系統(tǒng)

　　如圖6所示為單周期控制Buck變換器控制框圖，單周期控制技術(shù)實際上就是一種按擾動控制的開環(huán)控制系統(tǒng)。它將主功率電路的輸入電壓引入控制，隨著輸入電壓的變化，得到不同的占空度，使得主功率電路的輸出電壓跟隨給定量。理論上這種控制技術(shù)完全抵制了主功率電路的輸出電壓擾動，但是對負載的擾動卻無能為力。

圖6  單周期控制 Buck 變換器控制框圖

 （3）復(fù)合控制方式

　　開環(huán)控制方式在技術(shù)上較反饋控制方式簡單，且對激勵響應(yīng)快，但是僅僅只采用按給定量控制的前饋控制方式來控制，系統(tǒng)控制精度不高。而按擾動控制的開環(huán)控制系統(tǒng)只適用于擾動可以測量的場合。因此，比較合理的一種控制方式是把開環(huán)控制方式與反饋控制方式結(jié)合起來。這種控制方式稱為復(fù)合控制。利用控制系統(tǒng)的給定量，產(chǎn)生一種補償作用，使得被控量更好的跟隨給定量。另外，對主要擾動采用適當(dāng)?shù)难a償裝置來實現(xiàn)擾動控制。同時，再組成反饋控制系統(tǒng)實現(xiàn)按偏差控制，以消除其余擾動產(chǎn)生的偏差。這樣，系統(tǒng)的主要外作用已被補償，反饋控制系統(tǒng)比較容易設(shè)計，控制效果也會更好。這種將前饋控制和反饋控制相結(jié)合的控制方式稱為復(fù)合控制。
如圖7所示為具有輸入電壓前饋的平均電流控制Boost變換器的PFC控制框圖，這種控制方法為雙環(huán)反饋的控制方法，外環(huán)為母線電壓平均值控制環(huán)，內(nèi)環(huán)為輸入電流控制環(huán)。該控制方法將輸出電壓的平均值作為反饋與基準(zhǔn)比較，產(chǎn)生的誤差信號經(jīng)由電壓補償器進行調(diào)節(jié)。產(chǎn)生的信號與輸入電壓有效值一起，控制正弦波基準(zhǔn)的幅值。再將輸入電流作為反饋與正弦波基準(zhǔn)進行比較，產(chǎn)生的誤差信號經(jīng)由電流補償器進行調(diào)節(jié)產(chǎn)生調(diào)制信號，再將該調(diào)制信號與載波比較得到控制信號，得到所需的控制信號，外環(huán)的作用，主要控制輸出電壓，內(nèi)環(huán)主要控制輸入電流的波形，保證輸入電流的正弦度。引入了輸入電壓前饋，克服輸入電壓擾動對輸出電壓的影響。

圖7  具有輸入電壓前饋的平均電流控制 Boost 變換器的PFC

　　六、校正方式

　　對控制系統(tǒng)的要求，通常以性能指標(biāo)的形式給出。而為了使系統(tǒng)獲得滿意的性能，必須對控制系統(tǒng)進行設(shè)計和校正，也就是在系統(tǒng)中適當(dāng)?shù)奈恢眉舆M適當(dāng)?shù)男Ｕb置。校正裝置彌補了原系統(tǒng)的性能缺陷。按照校正裝置在開關(guān)電源系統(tǒng)中的連接方式，控制系統(tǒng)的校正方式可以分為串聯(lián)校正、反饋校正、前饋校正、復(fù)合校正等。如圖8所示為系統(tǒng)校正裝置位置示意圖，G（S）為被控對象（主功率電路）；串聯(lián)校正裝置一般連接在G（S）之前，串接與系統(tǒng)前向通道之中，如G1（S）益所示；反饋校正裝置連接在系統(tǒng)局部反饋通路之中，如G2（S）位置所示；補償給定量的前饋校正裝置接在系統(tǒng)給定量之后的前向通道之上，形成前饋校正通路，如G3（S）位置所示，補償擾動量的前饋校正裝置接在系統(tǒng)可測試的振動量之后，形成一條附加的通道，如G4（S）位置所示。前饋校正裝置可以單獨作用與開環(huán)控制系統(tǒng)，也可以作為反饋控制系統(tǒng)的附加校正而組成復(fù)合校正控制系統(tǒng)。

圖8  系統(tǒng)校正裝置位置示意圖

　　七、小結(jié)

　　開關(guān)電源系統(tǒng)通過控制電路對主功率電路的控制實現(xiàn)電能的變換。開關(guān)電源系統(tǒng)有多種控制方式，而控制方式的核心是校正方式。究竟選用哪種控制方式，系統(tǒng)如何校正，取決于系統(tǒng)主功率電路的被控量的性質(zhì)、抗擾動性要求、技術(shù)實現(xiàn)的方便性、經(jīng)濟性要求、環(huán)境使用條件等因素。