闭环反馈控制功率电子变换系统不稳定性抑制技术.doc

闭环反馈控制功率电子变换系统不稳定性抑制技术Instability Suppressing Technique for Power Electronic Converters with close loop Feedback Control 张友军 converters with close loop feedback control. After compensation network and the instability suppressing technique to lower orders of output filter were analyzed in detail and studied, a novel controlled damping LC output filter with surge suppressing was proposed and studied in this paper. The novel output filter owns the advantages of simple circuit structure, easy realize, strong ability of surge suppressing and low loss. The simulation result and experiment show it is feasible. Keywords：output filter；surge suppressing；instability；close loop feedback control 四种功率电子变换器AC/AC、AC/DC、DC/DC、DC/AC通常都含有LC输出滤波器。闭环反馈控制功率电子变换系统容易发生不稳定现象，因此，不稳定性抑制技术就成了电力电子学重要的研究课题。　　LC输出滤波器是个二阶系统，一般把它的前端电压作为控制量，其频谱特性与变换器的控制策略及负载性质有关，输出滤波器的作用就是滤除其中的高次谐波，以得到所需电压波形。　　闭环反馈控制功率电子变换系统的行为包括稳态响应和瞬态响应。为了使这两类响应达到系统的要求，常引入补偿装置来改善系统的性能。本文在分析研究了功率电子变换系统多种不稳定性抑制技术的基础上，提出并研究了一种具有抑制振荡功能的可控阻尼LC输出滤波器，仿真及试验结果均证实了其可行性。2、 补偿网络技术2.1传统的补偿网络技术　　功率电子变换系统一般采用高增益的运算放大器形成误差放大器，并设计成反馈补偿网络，使系统形成闭环回路。常用的误差放大器补偿网络，见图1所示。图1a中输出、输入电压之间的传递函数为 其伯德图的转折频率 。在实际的设计应用中，转折频率正常地会被预定，然后根据上式计算出电阻和电容值。图1a中是一有源滞后-超前补偿网络。对应一个正弦输入，其输出是带有相移的正弦量，输出量的相移是输入信号频率的函数，当输入信号频率从零增加到无穷大时，输出量的相角从滞后变到超前。其超前补偿能使被补偿系统的频带和相位裕量增加，从而改善了系统的响应速度，并且减少了超调量；其滞后补偿能使系统的的稳定性获得改善[1-2]。 　　若只考虑改善系统的稳态精度，可只使用滞后补偿网络。功率电子变换系统中常用的滞后补偿网络为比例-积分（PI）环节，见图1b，其输出、输入电压之间的传递函数为 2.2电流控制斜坡补偿技术　　电流控制功率电子变换系统有瞬态响应速度快、内在限流能力、易并联等优点，但该电路在占空比D0.5时容易出现次谐波振荡，使得系统不稳定[3-5]。 　　以一台20W 27VDC/±15VDC峰值电流型控制反激式DC/DC 变换器机内稳压电源为例[3]。不稳定原因分析见图2a，设△In为开关第n次开通前电流扰动信号，m1和m2分别为电流上升下降率，实线为稳定情况，虚线为加入扰动后的情况， 周期加大，造成系统不稳定或性能下降,形成次谐波振荡。消除这种振荡的方法是在变换器电流反馈信号或电流给定信号上,人为地增加一个斜坡函数进行斜坡补偿。　　在电流给定信号（误差电压Ue）处加上斜坡补偿的原理如图2b所示。在Ue处加入斜坡补偿后，斜坡的斜率m等于或略大于m2/2 , ,在随后的周期电流扰动会减小到零，系统得以真正的电流模式运行。补偿斜坡可以由振荡器获得。 　　原边电流反馈信号（采样电压Us）斜坡补偿原理，如图3a所示。这里将补偿斜坡加在采样电阻RS的电压上，再与平滑的误差电压Ue进行比较。这种补偿同样能有效地防止次谐波振荡现象，使电路工作稳定。图3b为采样电压Us补偿前后的试验波形。3、 二阶LC输出滤波器降阶技术3.1　电流断续导通DCM模式技术　　反激式变