CN110854938A - 用于减小电源脉冲型负载输入电流脉动的控制装置及系统 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种用于减小电源脉冲型负载输入电流脉动的控制装置及系统，所述用于减小电源脉冲型负载输入电流脉动的控制装置包括：负载功率变换电路、电流环控制电路、电压环控制电路和PWM驱动控制电路，所述负载功率变换电路的负载电流连接至所述电流环控制电路，所述负载功率变换电路连接至所述电压环控制电路，所述电流环控制电路和电压环控制电路的输出端叠加后输入至所述PWM驱动控制电路，所述PWM驱动控制电路连接至所述负载功率变换电路的功率变换器。本发明能够充分发挥电压环的优势且避免环路交叠时所带来的不良影响，有效减小输入侧电流的脉动；此外，还能够进一步避免不同环路投切时可能引发的电源稳定性问题，稳定可靠。
Description
技术领域
本发明涉及一种脉冲型负载控制装置，尤其涉及一种用于减小电源脉冲型负载输入电流脉动的控制装置，并涉及包括了该用于减小电源脉冲型负载输入电流脉动的控制装置的控制系统。
背景技术
对于应用在脉冲型负载场合的电源，因负载端的阶跃电流将反应在输入侧，所以需重点关注功率输入侧的电流反射纹波。当电源采用传统电压型控制方式时，输出电压的采样信号与基准信号经补偿参数Zv1与补偿参数Zv2后，共同产生电压环控制信号，再通过脉宽调制环节以及驱动电路控制功率变换器中的开关管。
用io表示负载电流，vo表示负载电压，vvc表示电压环控制信号，ipin表示经输入滤波电容后流入功率变换器的电流，iin表示总输入电流，则现有技术中的电源在电压型控制下的波形示意图如图2所示。由图2可知，当负载电流io阶跃变化时，现有技术中的脉冲型负载所在电源将引起负载电压vo的上升及下陷，该上升及下陷反应在电压环控制信号vvc上会使驱动信号在较大范围内调节，从而导致输入滤波电容后流入功率变换器的电流ipin及总输入电流iin产生较大的脉动。总输入电流iin的宽幅变化易引发前级电源系统不稳定等问题，现有技术通常采用增大输入滤波器中电感Lin和电容Cin的方法避免这一隐患，但较大的感性器件及容性器件将降低电源系统的功率密度，并增加生产成本。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是需要提供一种能够解决电源稳定性问题，以提高工作效率，提高工作效率和效果的用于减小电源脉冲型负载输入电流脉动的控制装置，更进一步的，还需要提供包括了该用于减小电源脉冲型负载输入电流脉动的控制装置的控制系统。
对此，本发明提供一种用于减小电源脉冲型负载输入电流脉动的控制装置，包括：负载功率变换电路、电流环控制电路、电压环控制电路和PWM驱动控制电路，所述负载功率变换电路的负载电流连接至所述电流环控制电路，所述负载功率变换电路连接至所述电压环控制电路，所述电流环控制电路和电压环控制电路的输出端叠加后输入至所述PWM驱动控制电路，所述PWM驱动控制电路连接至所述负载功率变换电路的功率变换器。
本发明的进一步改进在于，所述电流环控制电路包括滤波电路、输出电流采样电路和电流环控制器，其中，所述负载电流通过所述滤波电路连接至所述输出电流采样电路；所述输出电流采样电路连接至所述电流环控制器，以所述输出电流采样电路的输出信号作为所述电流环控制器的基准信号端。
本发明的进一步改进在于，所述滤波电路的截止频率低于所述负载功率变换电路中负载的脉冲频率。
本发明的进一步改进在于，所述电流环控制电路还包括电感电流采样电路，所述功率变换器的输出侧电感电流通过所述电感电流采样电路输入至所述电流环控制器的反馈信号端。
本发明的进一步改进在于，所述电压环控制电路包括输出电压采样电路和电压环控制器，所述负载功率变换电路通过所述输出电压采样电路连接至所述电压环控制器。
本发明的进一步改进在于，所述电压环控制器的带宽高于所述电流环控制电路中电流环控制器的带宽。
本发明的进一步改进在于，设置所述电压环控制器的补偿参数，使得所述电压环控制电路的相位裕度大于45°。
本发明的进一步改进在于，设置所述电压环控制器的补偿参数，使得所述电压环控制电路的增益裕度大于10dB。
本发明的进一步改进在于，还包括叠加电路，所述电流环控制电路和电压环控制电路通过所述叠加电路连接至所述PWM驱动控制电路。
本发明还提供一种用于减小电源脉冲型负载输入电流脉动的控制系统，包括了如上所述的用于减小电源脉冲型负载输入电流脉动的控制装置。
与现有技术相比，本发明的有益效果在于：包括了电流环控制电路和电压环控制电路共两个环路，能够充分发挥电压环的优势且避免环路交叠时所带来的不良影响，有效减小输入侧电流的脉动；在此基础上，无需在电压环与电流环之前进行切换，进而还能够进一步避免不同环路投切时可能引发的电源稳定性问题，本例所述电压环控制电路的电压环与所述电流环控制电路的电流环同时作用，以确保在各种负载工况下均可靠工作，稳定性能得以大幅提高。
附图说明
图1是本发明一种实施例的环路控制框图；
图2是现有技术在脉冲型负载下的电压型控制电源的波形示意图；
图3是本发明一种实施例在脉冲型负载下的控制装置电源的波形示意图；
图4是本发明一种实施例的输出电流采样电路的电路原理图；
图5是本发明一种实施例的电流环控制器的电路原理图；
图6是本发明一种实施例的电压环控制电路和叠加电路的电路原理图；
图7是本发明一种实施例的电感电流采样电路的电路原理图。
具体实施方式
下面结合附图，对本发明的较优的实施例作进一步的详细说明。
如图1所示，本例提供一种用于减小电源脉冲型负载输入电流脉动的控制装置，包括：负载功率变换电路1、电流环控制电路2、电压环控制电路3和PWM驱动控制电路4，所述负载功率变换电路1的负载电流连接至所述电流环控制电路2，所述负载功率变换电路1连接至所述电压环控制电路3，所述电流环控制电路2和电压环控制电路3的输出端叠加后输入至所述PWM驱动控制电路4，所述PWM驱动控制电路4连接至所述负载功率变换电路1的功率变换器。
如图1所示，本例在电压型环路控制方式上加以改进，引入了输出电流环。图1中，负载电流io经过滤波电路201的滤波后进入电流采样环节，该信号将作为电流环控制器203的基准，值得注意的是此处所述滤波电路201的截止频率需低于负载脉冲频率；同时，采样所述负载功率变换电路1的功率变换器的输出侧电感电流，该信号将作为电流环控制器203的反馈信号，所述电流环控制器203的反馈信号与基准信号经补偿参数Zc1与补偿参数Zc2后，共同产生电流环控制信号vic，该电流环控制信号vic将与电压环控制信号vvc叠加后形成最终的控制信号vc。
如图2所示的是现有技术中的电源在电压型控制下的波形示意图。由图2可知，当负载电流io阶跃变化时，现有技术中的脉冲型负载所在电源将引起负载电压vo的上升及下陷，该上升及下陷反应在电压环控制信号vvc上会使驱动信号在较大范围内调节，从而导致输入滤波电容后流入功率变换器的电流ipin及总输入电流iin产生较大的脉动。总输入电流iin的宽幅变化易引发前级电源系统不稳定等问题。
经分析可知，图3中电流环控制电路2和电压环控制电路3共两个环路，能够充分发挥电压环的优势且避免环路交叠时所带来的不良影响，有效减小输入侧电流的脉动；本例设置所述电压环控制器302的补偿参数Zv1和补偿参数Zv2时，应使所述电压环控制器302的带宽高于所述电流环控制电路2中电流环控制器203的带宽，且两组补偿参数均需确保相应环路的相位裕度大于45°，增益裕度大于10dB，即使得所述电压环控制电路3的相位裕度大于45°，所述电压环控制电路3的增益裕度大于10dB。
本例设置所述电压环控制器302的补偿参数Zv1和补偿参数Zv2的详细过程如下：设定用GV(s)表示由补偿参数Zv1和补偿参数Zv2组成的电压环补偿器传递函数，Gc(s)表示由补偿参数ZC1和补偿参数ZC2组成的电压环补偿器传递函数，用Gvod(s)表示输出电压与控制之间的开环传递函数，GiLd(s)表示总电感电流与控制之间的开环传递函数，Fm表示PWM调制器的传递函数，Hv(s)与Hc(s)分别表示输出电压与电感电流采样环节的传递函数，则电压环的传递函数表达式Tv(s)为：Tv(s)＝Gvod(s)Gv(s)Hv(s)Fm；电流环的传递函数表达式Tc(s)为：Tc(s)＝GiLd(s)Gc(s)Hc(s)Fm；通过改变由补偿参数Zv1和补偿参数Zv2组成的电压环补偿器传递函数GV(s)与补偿参数ZC1和补偿参数ZC2组成的电压环补偿器传递函数Gc(s)中零点与极点的位置，令电压环带宽高于电流环带宽，即可使所述电压环控制器302的带宽高于所述电流环控制电路2中电流环控制器203的带宽。补偿参数Zv1、补偿参数Zv2、补偿参数ZC1和补偿参数ZC2是预设的电压环补偿参数，可以预定义设置，也可以根据实际需要进行调整和修改。
为与传统电压型控制的效果进行对比，如图3所示是脉冲型负载下采用本例进行控制的仿真波形示意图，由图3可知，因电流环控制电路2的基准信号是输出负载电流的平均值，电流环控制信号vic的变化范围较小，最终叠加后产生的控制信号vc的变化幅度将小于图2中的电压环控制信号vvc，从而减小输入侧电流ipin及总输入电流iin上的脉动。
如图1、图4和图5所示，本例所述电流环控制电路2包括滤波电路201、输出电流采样电路202和电流环控制器203，其中，所述负载电流通过所述滤波电路201连接至所述输出电流采样电路202；所述输出电流采样电路202连接至所述电流环控制器203，以所述输出电流采样电路202的输出信号作为所述电流环控制器203的基准信号端。本例所述滤波电路201可以是外置的滤波电路，也可以是集成于图4所示的输出电流采样电路202之中的LC滤波电路。
值得一提的是，本例所述滤波电路201的截止频率低于所述负载功率变换电路1中负载的脉冲频率，进而能够满足本例降低脉冲型负载输入电流脉动的需求。
如图1和图7所示，本例所述电流环控制电路2还包括电感电流采样电路204，所述功率变换器的输出侧电感电流通过所述电感电流采样电路204输入至所述电流环控制器203的反馈信号端。
如图6所示，本例所述电压环控制电路3包括输出电压采样电路301和电压环控制器302，所述负载功率变换电路1通过所述输出电压采样电路301连接至所述电压环控制器302。本例还包括叠加电路5，所述电流环控制电路2和电压环控制电路3通过所述叠加电路5连接至所述PWM驱动控制电路4，所述PWM驱动控制电路4包括PWM发生电路401和驱动电路402，进而实现对功率变换器的驱动。
本例还提供一种用于减小电源脉冲型负载输入电流脉动的控制系统，包括了如上所述的用于减小电源脉冲型负载输入电流脉动的控制装置。
综上所述，本例包括了电流环控制电路2和电压环控制电路3共两个环路，能够充分发挥电压环的优势且避免环路交叠时所带来的不良影响，有效减小输入侧电流的脉动；在此基础上，无需在电压环与电流环之前进行切换，进而还能够进一步避免不同环路投切时可能引发的电源稳定性问题，本例所述电压环控制电路3的电压环与所述电流环控制电路2的电流环同时作用，以确保在各种负载工况下均可靠工作，稳定性能得以大幅提高。
以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单推演或替换，都应当视为属于本发明的保护范围。
Claims (10)
1.一种用于减小电源脉冲型负载输入电流脉动的控制装置，其特征在于，包括： 负载功率变换电路、电流环控制电路、电压环控制电路和PWM驱动控制电路，所述负载功率变换电路的负载电流连接至所述电流环控制电路，所述负载功率变换电路连接至所述电压环控制电路，所述电流环控制电路和电压环控制电路的输出端叠加后输入至所述PWM驱动控制电路，所述PWM驱动控制电路连接至所述负载功率变换电路的功率变换器。
2.根据权利要求1所述的用于减小电源脉冲型负载输入电流脉动的控制装置，其特征在于，所述电流环控制电路包括滤波电路、输出电流采样电路和电流环控制器，其中，所述负载电流通过所述滤波电路连接至所述输出电流采样电路；所述输出电流采样电路连接至所述电流环控制器，以所述输出电流采样电路的输出信号作为所述电流环控制器的基准信号端。
3.根据权利要求2所述的用于减小电源脉冲型负载输入电流脉动的控制装置，其特征在于，所述滤波电路的截止频率低于所述负载功率变换电路中负载的脉冲频率。
4.根据权利要求2所述的用于减小电源脉冲型负载输入电流脉动的控制装置，其特征在于，所述电流环控制电路还包括电感电流采样电路，所述功率变换器的输出侧电感电流通过所述电感电流采样电路输入至所述电流环控制器的反馈信号端。
5.根据权利要求1至4任意一项所述的用于减小电源脉冲型负载输入电流脉动的控制装置，其特征在于，所述电压环控制电路包括输出电压采样电路和电压环控制器，所述负载功率变换电路通过所述输出电压采样电路连接至所述电压环控制器。
6.根据权利要求5所述的用于减小电源脉冲型负载输入电流脉动的控制装置，其特征在于，所述电压环控制器的带宽高于所述电流环控制电路中电流环控制器的带宽。
7.根据权利要求6所述的用于减小电源脉冲型负载输入电流脉动的控制装置，其特征在于，设置所述电压环控制器的补偿参数，使得所述电压环控制电路的相位裕度大于45︒。
8.根据权利要求7所述的用于减小电源脉冲型负载输入电流脉动的控制装置，其特征在于，设置所述电压环控制器的补偿参数，使得所述电压环控制电路的增益裕度大于10dB。
9.根据权利要求1至4任意一项所述的用于减小电源脉冲型负载输入电流脉动的控制装置，其特征在于，还包括叠加电路，所述电流环控制电路和电压环控制电路通过所述叠加电路连接至所述PWM驱动控制电路。
10.一种用于减小电源脉冲型负载输入电流脉动的控制系统，其特征在于，包括了如权利要求1至9任意一项所述的用于减小电源脉冲型负载输入电流脉动的控制装置。
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