DC-DC变换电路的控制技术优化策略

以上介绍了DC-DC变换电路的拓扑结构和基本工作原理。下面对DC-DC变换电路的控制技术进行介绍。DC-DC变换电路的控制技术包含两方面的内容：一是电力电子器件的开关控制策略，习惯上称为调制技术；另一个是电路的闭环控制策略，习惯上称为控制技术。

3.1.4.1 DC-DC变换器的调制技术

以Buck电路为例，说明DC-DC变换器的调制技术。Buck变换器的电压传输比为

要想调节输出电压，有三种基本思路：①维持开关周期T不变，调节t_on，称为脉冲宽度调制技术（Pulse Width Modulation，PWM）；②保持t_on不变，改变T，称为脉冲频率调制技术（Pulse Frequency Modulation，PFM）；③t_on和T都可调，使占空比改变，称为混合调制技术（Hybrid Modulation）。除了这三种思路之外，还有脉冲密度调制技术（Pulse Density Modulation，PDM）和移相控制技术（Phase Shift Control）。

1.PWM

在这种PWM技术中，脉冲的前沿或者脉冲的后沿，或前后沿一起随调制信号而变化。PWM技术中载波频率固定，易于器件选择和滤波器参数设计，并且其输入输出线性度好，传输带宽高，可看作是理想的“放大器”。PWM技术是电力电子变换器中最常用的调制技术。

2.PFM

所谓脉冲频率调制就是不改变脉冲的宽度，只改变脉冲频率的调制方式。PFM方法的主要缺点是工作频率在功率调节过程中不断变化，增加了输出滤波器的设计难度，因此只用于某些功率调节范围较小的场合。

3.PDM

PDM调制方法是通过控制脉冲密度，实际上就是控制向负载馈送能量的时间来控制输出功率。这种控制方法的基本思路是：假设在某时段内总共有N个功率输出单位，在其中M个功率输出单位里电源向负载输出功率，而剩下的N-M个单位内变换器停止工作，负载能量以自然振荡形式衰减。这样的话，输出的脉冲密度为M/N，这样输出功率就跟脉冲密度联系起来了，即通过改变脉冲密度就可改变输出功率。PDM的主要缺点就是功率调节特性不理想，呈有级调节方式。

4.移相控制技术

移相控制技术适用于全桥式变换器，包括四象限直接型DC-DC变换器和隔离型全桥变换器。移相控制技术与前面讲的三种调制方式不同。移相控制不是通过改变占空比调节输出电压，而是通过改变对角开关触发脉冲的相位差调节输出电压。

5.混合调制技术

将以上各种技术混合起来使用，就是混合调制技术。比如将PWM和PDM混合起来，或者将PWM技术与移相控制技术混合起来等。

3.1.4.2 DC-DC变换器的控制技术

DC-DC变换器的控制技术主要是指其闭环控制策略。从DC-DC变换的控制要求来看，DC-DC变换的控制技术可分为电压型控制、电流型控制和双环控制。从闭环调节器的构成上看，DC-DC变换器的控制技术可以分为PI控制、滞环控制和单周期控制等。本书按照后一种分类方法分别进行介绍。

1.PI控制

PI控制包括电压型控制和电流型控制。仍以Buck电路为例，分别进行说明。

（1）电压型控制

电压型PI控制原理框图如图3-18所示。其原理是：对给定电压V_ref与输出电压u_o做差，经PI调节器形成一个电压调制信号。再利用电压调制信号与固定频率的锯齿波（或三角波）信号的交点形成脉冲信号。当给定电压、负载或电源发生变化时，PI调节器的输出也随之发生变化。于是调制信号与锯齿波的交点也发生了改变，从而改变脉冲宽度，达到电压闭环控制的作用。

（2）电流型控制

图3-19所示为一种电流型控制的原理框图。该框图为平均电流控制模式。此外，还有峰值电流控制模式。

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图3-18 电压型PI控制原理框图

（3）双环控制

通常的DC-DC变换器都要求电压稳定。电压型PI控制就可以实现这个目的，但其动态性能比较差，为此一般需要引入电流环，构成双环控制。双环PI控制的原理框图如图3-20所示。

图3-19 电流型控制原理框图

图3-20 双环PI控制原理框图

由于电流环的存在和对系统的校正作用，使得电压外环设计可以按单极点系统进行。因此，无论是在校正的难易程度上还是在动态响应特性上都较单环系统有明显的优势。

2.滞环控制

滞环控制是一种常用的电流跟踪控制技术，其基本原理框图如图3-21所示。与电流环PI控制不同，滞环控制只采用一个滞环比较器就可以实现。

滞环控制的基本原理是：首先给定电流的期望值，然后给出容许电流的波动范围ΔI（即环宽）。当实际电流比期望值低且超过环宽时，使开关管VT导通；当实际电流比期望值高且超过环宽时，使开关管VT关断。这样电流就在期望值上下波动，最终达到电流跟踪的目的。

在滞环控制中，有两个参变量对控制精度和响应速度起到重要影响。一是环宽，另一个是电感。环宽取得小时，比较器动作快，动态跟踪性能好，但开关频率过高，器件承受应力大；环宽取得大时，开关频率大幅降低，系统可靠性提高，但实际电流与给定电流的偏差较大，动静态性能不佳。电感值取得小时，电流变化速度快，比较器响应敏感，动态跟踪性能好，但同样开关频率过高，元器件承受应力大；电感值取得大时，与环宽大的效果也基本相同。

图3-21 滞环控制原理框图

滞环控制的缺点是工作频率不固定、滤波器参数难以确定、开关器件应力大、不适宜于负载变化频繁的场合。

3.单周期控制

单周期控制是一种电压跟踪技术，其基本原理框图如图3-22所示。单周期控制是一种非线性控制技术，该控制方法的突出特点是：无论是稳态还是暂态，它都能保持受控量（通常为斩波波形）的平均值恰好等于或正比于给定值，即能在一个开关周期内，有效地抵制电源侧的扰动，既没有稳态误差，也没有暂态误差。单周期控制技术将一个非线性开关变成一个线性开关。这种控制可以有效抑制输入信号的扰动，使得系统的输出迅速跟踪输入给定的变化，使系统具有优良的抗扰动性和跟随性能。

图3-22 单周期控制原理框图

单周期控制可以根据需要设计为PFM型和PWM型，图3-22所示为PWM型。

3.1.4.3 光伏系统中的DC-DC变换器控制技术

DC-DC变换器在一般场合中均需要电压控制，也就是需要实现电压稳定和线性调节。因此双环PI控制和单周期控制是比较常用的DC-DC变换器控制策略。但在光伏系统中，需要实现对光伏阵列的最大功率点跟踪，如果采用电压控制，则不能实现这个目标。实际的最大功率点跟踪控制是一种轨迹控制，输出电压和电流都不是稳定值。在实际控制中可把光伏阵列的输出电流（即DC-DC变换器的输入电流）作为控制对象。在最大功率跟踪控制下，DC-DC变换器的输出电压不稳定，不宜直接提供给负载使用，一般需要在直流母线上配置储能元件，以平衡直流母线电压。