【導讀】近年來瞬時反饋控制方式被廣泛研究，多種各具特色的實現方案被提出，其中三態DPM(離散脈沖調制)電流滯環跟蹤控制方式性能優良，易于實現。本文將電流型準PWM控制方式和三態DPM電流滯環跟蹤控制方式進行對比，分析比較其動態和靜態性能，并給出具體實現電路及系統仿真結果。看看兩種控制方式誰更優？
電流型雙環控制技術在DC/DC變換器中廣泛應用，較單電壓環控制可以獲得更優良的動態和靜態性能。其基本思路是以外環電壓調節器的輸出作為內環電流給定，檢測電感(或開關)電流與之比較，再由比較器的輸出控制功率開關，使電感和功率開關的峰值電流直接跟隨電壓調節器的輸出而變化。如此構成的電流、電壓雙閉環變換器系統瞬態性能好、穩態精度高，特別是具有內在的對功率開關電流的限流能力。逆變器(DC/AC變換器)由于交流輸出，其控制較DC/DC變換器復雜得多，早期采用開關點預置的開環控制方式，近年來瞬時反饋控制方式被廣泛研究，多種各具特色的實現方案被提出，其中三態DPM(離散脈沖調制)電流滯環跟蹤控制方式性能優良，易于實現。本文將電流型PWM控制方式成功用于逆變器控制，介紹其工作原理，與電流滯環跟蹤控制方式比較動態和靜態性能，并給出仿真結果。
三態DPM電流滯環跟蹤控制方式
電流滯環跟蹤控制方式有多種實現形式，其中三態DPM電流滯環跟蹤控制性能較好且易于實現。參照圖1，它的基本工作原理是：檢測濾波電感電流iL，產生電流反饋信號if。if與給定電流ig相比較，根據兩個電流瞬時值之差來決定單相逆變橋的4個開關在下一個開關周期中的導通情況：ig-if>h時(h見圖1，為電流滯環寬度，可按參考文獻[1]P64式5?2選取)S1、S4導通，UAB=+E，+1狀態;ig-if-h時S2、S3導通，UAB="-"E，-1狀態；|ig-if|h時S1、S3或S2、S4導通，UAB="0，"0狀態。兩個D觸發器使S1～S4的開關狀態變化只能發生在周期性脈沖信號CLK(頻率2f)的上升沿，也就是說開關點在時間軸上是離散的，且最高開關頻率為f。
仿真和實驗表明，iL正半周，逆變器基本上在+1和0狀態間切換，而iL負半周，逆變器基本上在-1和0狀態間切換，只有U0過零點附近才有少量的+1和-1之間的狀態跳變，從而使輸出脈動減小。
電流型準PWM控制方式
圖1：三態DPM電流滯環跟蹤控制方式
[page]綜合常規PWM單、雙極性工作方式的優缺點，并借鑒滯環控制技術，得到改進的電流環控制電路如圖2。S3、S4基本上以低頻互補，S1、S2以高頻互補方式工作。其基本工作原理：
(1)ig正半周，即ig>0時
比較器CMP1輸出高電平，S3一直關斷。
時鐘信號CLK的上升沿將觸發器RS1置1，S1、S4導通，S2關斷，UAB為+E，iL按式(1)上升
M1=diL/dt=(E-U0)/L (1)
當iL升至if>ig時RS1翻轉，S1關斷、S2導通，UAB為0，iL按式(2)變化
M2=diL/dt=-U0/L (2)
若U0>0，則iL下降，至開關周期結束;而若U00，則iL繼續上升，此時可能出現三種情況：
①if上升率小于ig，則if相對于ig下降至開關周期結束；
②if上升率略大于ig，開關周期結束時if大于ig而小于ig+h，則下一個開關周期仍保持該狀態(UAB為0);
③若if升至ig+h，則CMP3翻轉為1、將RS3清零，S4關斷，負載通過D2、D3續流，UAB為-E，iL按式(3)下降至開關周期結束。if的峰值不大于ig+h
M2=diL/dt=-(E+U0)/L (3)
(2)ig負半周，即ig比較器CMP1輸出低電平，S4一直關斷。
時鐘信號CLK的上升沿將觸發器RS2清0，S2、S3導通，S1關斷，UAB為-E，iL按式(3)下降。
當iL降至if時RS2翻轉，S2關斷、S1導通，UAB為0，iL按式(2)變化：若U0，則iL上升至開關周期結束；而若U0>0，則iL繼續下降，此時也可能出現三種情況：
①if下降率小于ig，則if相對于ig上升至開關周期結束；
②if下降率略大于ig，開關周期結束時if小于ig而大于ig-h，則下一個開關周期仍保持該狀態(UAB為0)；
③若if降至ig-h，則CMP4翻轉為1，RS3清零，S3關斷，負載通過D1、D4續流，UAB為+E，iL按式(1)上升至開關周期結束。|if|的峰值不大于|ig-h|，即|ig|+h。
可見，這也是一種三態工作方式：iL與U0同相時，逆變器工作在PWM方式，在1狀態和0狀態(或-1狀態和0狀態)間轉換;二者反相時，滯環才起作用，它使逆變器在1，0和-1三種狀態間轉換。
靜態性能的比較
以某逆變器為例，分析和比較上述兩種控制方式下的動態和靜態性能。電路參數：E=180VDC，L=1mH,C=20μF；調制頻率為f；輸出：U0=115VAC、fo=400Hz；額定負載：1kVA電流和電壓反饋系數分別為0.4167和0.25；電壓調節器為PI型：放大倍數Ap=13?5，時間常數τ1=0.27ms；
表1為不同負載和不同調制頻率下U0與基準電壓Ur的靜態誤差和U0的THD。
表1：不同控制方式下的穩態性能的比較
圖3：起動及突加突降負載動態響應過程
(a)三態DPM電流滯環跟蹤控制方式
(b)電流型準PWM控制方式
(b)電流型準PWM控制方式
靜差定義為：
，式中U01是U0基波份量有效值，Uon為輸出電壓額定值。[page]
分析表1及仿真波形(略)，發現：
(1)調制頻率f較低時，電流型準PWM波形失真較嚴重，但其THD隨f升高而迅速減小。
(2)功率開關管在電流型PWM方式時的平均開關頻率高于滯環方式，這意味著前者的開關損耗較大。
(3)電流型PWM方式下，諧波分量集中在調制頻率及其整倍數附近，而電流滯環跟蹤控制方式下UAB的諧波比較平均地分布在較寬的范圍內，調制頻率較低時容易產生較大的噪音。
(4)輸出電壓靜差基本不受電流跟蹤方式、調制頻率影響，主要取決于電壓調節器參數，也受主電路參數影響。
動態性能的比較
由于開關點的離散性，DPM電流跟蹤控制方式在控制電路中引入了一個時間常數為1/f的等效純滯后環節，對閉環系統的穩定性和動態性能有不利影響。圖3為起動及負載變化時兩種控制方式下的電感電流iL和輸出電壓U0仿真波形。可見，PWM方式下的動態性能較好，特別是調制頻率較低時，差別更明顯。但隨著調制頻率的提高，滯后時間常數減小，滯環方式的動態性能明顯改善，接近于PWM方式。
改變PI電壓調節器參數(減小放大倍數或增大積分時間常數)可以改善動態響應的穩定性、減小動態壓降，但又將增大靜態誤差，即重載時的電壓降落，延長調節時間。換言之，在達到同樣動態性能的前提下，電流型PWM控制方式允許較大的放大倍數或較小的積分時間常數，從而獲得更好的靜態性能。
結語
三態DPM電流滯環跟蹤控制方式實現簡單，開關損耗較低、失真較小。電流型準PWM控制方式可以獲得較好的動態性能，特別是系統穩定性及較小的輸出電壓降落，電路實現比較復雜，適于調制頻率較低或逆變器輸出濾波電感L、電容C較小的情況。而調制頻率較高時，三態DPM電流滯環跟蹤不失為一種簡單而性能優良的控制方式。
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