開關電源的控制環(huán)截止頻率和開關頻率的關系

1、這個問題是很專業(yè)的問題，因此我這個答案注定也是專業(yè)而非科普的答案，非電力電子專業(yè)的小伙伴看不懂很正常。而且如果不搞這行的話，私下覺得其實也完全沒有搞懂這個的必要(我能說其實就算搞這行的懂變換器的建模和控制的也是鳳毛麟角么。)。 1、 香農采樣定理 看到這個定理，估計第一反應就是聯想到信號與系統(tǒng)、數字信號處理、ADC采樣blabla，但絕對聯想到不到電力電子變換器，香農采樣定理和電力電子變換器扯上關系又是什么鬼？且聽我細細道來。 對于電力電子變換器來說，占空比是最終的控制信號。而調制波和載波交截確定了占空比，那么占空比是由調制波確定的，這句話對么？Not exactly，精準的說法是，調制波與載

2、波的交截點確定了占空比。 請和我一起大聲念三遍：交截點！交截點！交截點！ 如圖1，兩個調制波顯然是不一樣的，但是他們和載波的交截點一樣，那么占空比就一樣，最終的控制效果就一樣，由于PWM環(huán)節(jié)的存在，兩個調制波的差異信息仿佛丟失了一般?？闯鳇c什么了沒？這其實不就是采樣么？采樣的特點是什么？就是只能得到采樣時刻的信息，而兩次采樣之間的信息是丟失的，這也不正是PWM環(huán)節(jié)的特點么？所以電力電子變換器本質上是一個離散采樣系統(tǒng)。 1 圖 由于是采樣，那么自然有香農采樣定理，香農采樣定理告訴我們，電力電子變換器輸出電壓的頻率是有上限的，理論上最高是開關頻率(載波頻率)的一半。其實想想現實中存在的變換器，是不

3、是恍然大悟了？一個開關頻率為100kHz的變換器，你可以讓他輸出直流(0頻率)，輸出50Hz(并網逆變器)，400Hz(航空變流器)，但有沒有聽說一個開關頻率為100kHz的變換器能輸出可控的100kHz的正弦波的？沒有吧(如果有，我們實驗室做ET電源的那位美女師姐和帥哥師弟要開心死了。)。這其實和環(huán)路截止頻率為開關頻率的1/51/10沒啥關系，哪怕你環(huán)路截止頻率再高，也不可能輸出開關頻率一半頻率以上的電壓，這是由采樣系統(tǒng)本質決定的。 (注：上述討論的是最簡單最普遍的變換器，不考慮多電平、載波移相、MMC等結構，那些拓撲結構是有可能使得輸出電壓的頻率極大地逼近開關頻率，但這些結構的本質和我上面

4、說的完全不是一回事，不影響我上面分析的正確性，這個展開來說就太多了，這里懶得寫了，懂的自然懂) 2、 調制波與載波多次相交 這個叫斜坡匹配原則。 正常情況下調制波和載波應該這樣： 2 圖 而當調制波上升的斜率超過載波上升斜率時，就會進入不正常的狀態(tài)，比如這 ：即題主所說的多次交截樣() 圖3 所以說，要降低環(huán)路的截止頻率，使其能夠很好地抑制開關次的紋波，使得調制波的上升斜率不超過載波的上升斜率，這確實是可以算模擬控制中環(huán)路截止頻率為開關頻率的1/51/10的原因之一。 但數字控制不存在這個問題，數字控制由于零階保持器的存在，調制波在一個周期內是保持不變的，斜率恒為0，如圖4，不存在斜率匹配的要

5、求 4 圖 小信號模型的準確性 3、 這個問題很關鍵，其實準確的說法是，狀態(tài)空間平均法的準確性。 環(huán)節(jié)的處理。我們來看下狀態(tài)空間平均法對PWM 5 圖 PWM，那么經過100k假設一個電力電子變換器開關頻率為，調制波頻率為10k的交流信號10k環(huán)節(jié)得到占空比，狀態(tài)空間平均法認為得到的占空比也是一個環(huán)節(jié)等效為一個比例環(huán)節(jié)。但實際上不完全是這，即PWM)(如圖5所示的紅線的分量外，還有10k樣的，對占空比做傅里葉分析，可以知道占空比中除了，190K的分量，那么狀態(tài)空間平均法的準確度就依賴于這些非基，90K110K波分量的抑制程度，顯然，帶寬越低，對這些非基波頻率的分量抑制能力越強，狀態(tài)空間平均法得

6、到的模型就越準確。這是電力電子變換器環(huán)路截止頻率的重要原因之一，我實驗室有個同學就做這方面研究1/51/10為開關頻率的以后，用狀態(tài)空間平均法1/5的，他告訴我，當環(huán)路截止頻率超過開關頻率的得出的模型就和實際模型差距比較大了。 當然，也有考慮邊帶頻率來建模的，這就是多頻率模型，當然該模型的復雜程度是遠遠大于狀態(tài)空間平均法得到的模型了。但該模型也有實際的應用場合，比如在VRM中，要求變換器動態(tài)響應非?？欤敲赐托枰h(huán)路截止頻率為開關頻率的1/3甚至更高，這時候狀態(tài)空間平均法完全無法指導設計了，必須要用多頻域模型。 貼一張CPES關于多頻率模型的研究成果，可以看到隨著帶寬提高，狀態(tài)空間平均法和

7、實際模型差距越來越大。 6 圖 有更準確的模型，但是)當然我們實驗室專門研究建模的同學(我們都喊他教授 出來，所以我這里不能提供啦。還沒有publish 數字控制的延時問題、4 這個問題也很重要，不同于模擬控制，數字控制由于存在零階保持器和一拍滯 所示。7拍滯后，如圖1.5后，總共會在環(huán)路中引入 7 圖 拍滯后是什么概念呢？就是如果采樣頻率等于開關頻率，在環(huán)路中會引入1.5度的相位滯后！即540540*f/fs的相位滯后，也就是說，在開關頻率處會引入度的54，光是數字控制在截止頻率處也會引入使截止頻率是開關頻率的1/10相位滯后，其實也很難補償回來了。所以說，在數字控制下，為了保持控制系統(tǒng)有足夠的相角裕度，其截止頻率會更低一些，從而減小數字控