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电子电力技术的控制电路学习记录分享2

news 2025/11/1 12:37:55

【电力电子控制方法深度解析】电压型 vs 电流型：从原理到实战的完整指南

💡 作为一名电源工程师，你是否一直在寻找这些问题的答案：

电压型控制和电流型控制到底有什么区别？

为什么电流型控制的动态响应更快？

峰值电流控制和平均电流控制该如何选择？

本文将用最直观的方式为你彻底讲透电力电子变换器的控制方法：
✅ 电压型控制：单环结构的优缺点深度分析
✅ 峰值电流控制：双环架构与斜坡补偿原理
✅ 平均电流控制：精度提升与噪声抑制机制
✅ 三种控制方式的对比选型与实战应用

9.3 电力电子变换器的控制方法

为实现电力电子变换器的闭环控制要求，通常采用反馈控制电路，它主要由误差运算放大器、参考电压、逻辑电路组成。电力电子变换器的控制方式可以分成电压模式控制和电流模式控制两大类。下面将以 Buck 变换器为例，分别讨论电压型和电流型两种闭环控制方式。

9.3.1 电压型闭环控制

电压型控制是一种最基本的开关变换器控制方式，也是应用较广的控制方式之一。图 9.9 所示为电压型 Buck 变换器原理图和主要波形，图中，Q 和 D 分别为开关管和二极管； $u_{in}$ 、 $u_o$ 、 $u_{ref}$ 分别表示输入电压、输出电压和基准电压； $i_{Lf}$ 为电感 $L_f$ 的电流； $R_L$ 代表输出负载；误差放大器通常为比例积分（Proportional-Integral, PI）或比例积分微分（Proportional-Integral-Differential, PID）调节器。为了简化原理图，图 9.9（a）未画出驱动电路和输出电压采样网络，PWM 调制电路保留误差放大器、PWM 比较器等主要逻辑单元。
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电压型控制为单一控制反馈系统，通过对输出电压采样得到反馈信号 $u_f$ ，经由误差信号放大器与参考电压 $u_{ref}$ 比较，其误差经过误差放大器补偿后生成调制波电压 $u_{mod}$ ，然后与锯齿波信号 $u_{ramp}$ 进行比较后，生成脉冲宽度与 $u_{mod}$ 成正比的脉冲信号 $u_{dr}$ ，该信号再经过驱动电路来驱动 Q 的导通和关断，实现变换器输出电压的调节。当输出电压因输入电压的下降或负载电流的上升而下降时，误差放大器的输出将增大，这将导致控制脉冲的导通时间增加，从而使输出电压提升，实现稳压要求。反之调节亦然。

电压型控制的主要优点在于：只有一个电压控制环路，是单闭环负反馈控制，设计和分析相对比较简单，且由于锯齿波的幅值比较大，抗干扰能力比较强。电压型控制的主要缺点是：输入电压或输出电流变化后，只能在输出电压改变时才能检测到并反馈回来进行纠正，因此响应速度比较慢。此外，由于电压型控制对输出电流没有限制，因而需要额外的电路来限制输出电流。

9.3.2 电流型闭环控制

为进一步提高系统的动态、静态性能，传统的单反馈（即输出电压反馈）技术已不能满足要求，需采用多反馈技术，通常在引入电压反馈的同时，引入电流反馈。电流型 PWM 控制主要有以下两种控制方式：峰值电流控制和平均电流控制。

1. 峰值电流控制

图 9.10 给出采用峰值电流控制的 Buck 变换器原理图和主要波形，它是采用电感电流（或开关管电流）波形代替电压型控制的锯齿波作为 PWM 比较器的一个输入信号。具体工作原理如下：采用电流比较器构成电流控制内环，在每一个开关周期开始时，时钟信号使 PWM 锁存器置位，输出控制信号为高电平，开关管 Q 导通， $i_L$ 由初始值线性增加，检测电阻 $R_s$ 的采样电压 $u_s$ 也线性增大，当 $u_s$ 增大到电流给定电压 $u_{ea}$ 时，比较器翻转，使锁存器复位，输出控制信号 $u_{dr}$ 为低电平，开关管 Q 关断，直到下一个时钟脉冲到来，开始一个新的开关周期。电压外环采样输出反馈信号 $u_f$ ，与参考电压 $u_{ref}$ 比较得到误差信号，电压误差放大器的输出作为电流环的给定参考值（ $u_{ea}$ ）。从图 9.10 电路工作原理分析可知，振荡器时钟信号控制开关管每个周期定时导通，当电感电流达到峰值给定时控制开关管关断，除了可以采样电感电流 $i_L$ 作为电流反馈变量，峰值电流控制还可以采样开关管电流 $i_Q$ 作为电流反馈变量。

与电压型控制相比，峰值电流控制有助于提高变换器对输入电压变化的响应速度。电流型控制为逐个脉冲检测和调节电流。峰值电流的上限，经由误差信号来确定，能够准确地限制电感电流和功率开关管的电流，保证变换器实现闭环控制。当输入电压负载发生变化时，能够实现快速调节。例如输入电压升高，电感电流上升速率也会增加，对电流模式控制而言，电流只要达到电流给定值，比较器即为开关闭环开关管，故占空比会相应减小，保证电压的稳定，不必等输出电压改变反馈后才能反应。而电压型控制对电流变化没有直接的反应，一定要等到输出电压发生变化后才去调节脉冲宽度，由于 LC 滤波电路的惯性作用，调节需要几个周期后才能改变，响应速度慢得多。

峰值电流控制同时引入输出电压（电容电压）和电感电流两个状态变量作为反馈控制变量，提高了开关变换器的性能。此外，由于采用逐个脉冲检测和调节电流，能够实现电感和功率器件电流的准确灵敏控制，并限制最大输出电流，因此易于实现变换器的过流及短路保护，提高变换器的可靠性。同时，在多个电源并联时，峰值电流控制更便于实现均流控制要求。

值得注意的是，峰值电流控制在特定占空比工作条件下，存在次谐波振荡不稳定现象，为解决峰值电流的次谐波振荡问题，还需要在控制中加入斜坡补偿。

2. 平均电流控制

峰值电流模式控制较好地解决了系统稳定性和快速性问题，因此得到了广泛应用，但该控制方法也存在一些不足之处：①该方法控制的是电感电流的峰值，而不是电感电流的平均值，而两者之间存在一定差值，对于某些需要精确控制电感电流平均值的应用场合，峰值电流的控制精度难以达到要求；②峰值电流模式控制电路中，将采样电流信号直接与电流给定信号相比较，但开关管电流中通常会有一些开关过程产生的噪声信号，容易造成比较器的误动作，使电感电流发生不规则的波动。

图9.11给出了采用平均电流控制的Buck变换器电路结构框图，其工作原理为：采样输出电压与电压基准值相比较，其电压差值经误差放大器生成电压 $u_{vea}$ 信号，采样电阻 $R_s$ 上的电压 $u_s$ 与 $u_{vea}$ 相减后，经电流误差放大器后得到信号 $u_{mod}$ ，该信号与锯齿波 $u_{ramp}$ 比较生成脉宽调制信号 $u_{dr}$ ，控制开关管Q导通或关断。
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与峰值电流控制相比，平均电流控制并不是直接将采样电流峰值与给定值相比较，而是通过一个独立的电流误差放大器，对电流的误差进行放大控制，从而保证电感电流平均值能够精确地跟踪设定值。总的说来，相对峰值电流控制所存在的不能精确控制电流、会产生次谐波振荡等缺点，平均电流控制针对电流的平均值进行闭环控制，不但可以提高电流的控制精度，且无需额外的斜坡补偿控制，具有优越的噪声抑制能力，因此目前得到广泛应用。

📊 核心要点总结
1️⃣ 电压型控制：经典但有限
🔹 控制结构
输出电压 → 误差放大器 → PWM比较器 → 驱动电路
🔹 技术特点
单电压环：结构简单，易于设计

抗干扰强：大幅值锯齿波提供良好噪声免疫力

响应滞后：必须等输出电压变化后才能调节

🔹 适用场景
对动态响应要求不高的场合

成本敏感型应用

初学者入门学习

2️⃣ 电流型控制：性能飞跃
🔹 核心优势
双环控制：电压外环 + 电流内环

快速响应：直接检测电流变化，无需等待电压响应

内置保护：天然过流保护能力

3️⃣ 峰值电流控制：主流选择
🔹 工作原理
时钟导通：每个周期开始时开关管强制导通

峰值关断：电流达到给定值时立即关断

逐个脉冲：实时控制，响应迅速