單周期控制Boost DC/DC變換器分析與設計

0 引言
開(kāi)關(guān)變換器是脈沖式的非線(xiàn)性動(dòng)態(tài)系統，在適當的脈沖非線(xiàn)性控制下，系統應當比傳統的先行反饋控制更穩定，有更好的動(dòng)態(tài)性能和抗擾動(dòng)性。當輸入電壓或負載發(fā)生變化時(shí)，電壓型反饋控制需要多個(gè)開(kāi)關(guān)周期才能達到穩態(tài)。電流型反饋控制利用了變換器的脈沖和非線(xiàn)性特點(diǎn)，當占空比D大于O.5時(shí)，若采用的斜坡補償很精確，能使系統在一個(gè)開(kāi)關(guān)周期內達到穩態(tài)，但是往往實(shí)際中斜坡補償不能完全匹配，所以仍然需要多個(gè)開(kāi)關(guān)周期才能達到穩態(tài)。
單周期控制技術(shù)是1991年由Keyue M．smedley提出的一種非線(xiàn)性大信號PWM控制理論，它最大的特點(diǎn)是能使系統在一個(gè)周期之內達到穩態(tài)，每個(gè)周期的開(kāi)關(guān)誤差不會(huì )帶人下一個(gè)周期。這種控制方法具有調制和控制的雙重性，開(kāi)關(guān)變量和參考電壓間既沒(méi)有動(dòng)態(tài)誤差也沒(méi)有穩態(tài)誤差。因此，單周期控制技術(shù)近年在各種DC/DC、DC/AC、AC/DC變換器中來(lái)得到了廣泛的應用。

1 單周期控制基本原理
單周期控制技術(shù)，包括恒頻PWM開(kāi)關(guān)、恒定導通時(shí)間開(kāi)關(guān)、恒定截止時(shí)間開(kāi)關(guān)、變化開(kāi)關(guān)的單周期控制技術(shù)共4種類(lèi)型。對于恒頻PWM開(kāi)關(guān)，開(kāi)關(guān)周期TS恒定，單周期控制就是要調節導通時(shí)間TON，從而使得斬波波形的積分值等于基準信號。恒頻PWM開(kāi)關(guān)單周期控制原理，如圖1所示。

沒(méi)開(kāi)關(guān)S以一定開(kāi)關(guān)頻率fs=l/Ts的開(kāi)關(guān)函數K(t)工作，即：

占空比D=TON/TS模擬基準信號ur(t)調制。開(kāi)關(guān)的輸入信號x(t)被開(kāi)關(guān)斬波，開(kāi)關(guān)的輸出信號y(t)的頻率、脈寬與開(kāi)關(guān)函數k(t)相同，y(t)的包絡(luò )線(xiàn)就是x(t)，即y(t)=k（t）x(t)。
開(kāi)關(guān)S一旦由固定頻率的時(shí)鐘脈沖開(kāi)通，實(shí)時(shí)積分器就開(kāi)始工作，設定時(shí)間常數RC等于時(shí)鐘uc周期時(shí)間TS，其積分值為

當積分值ue達到基準信號ur(t)時(shí)，RS觸發(fā)器就復位，S變?yōu)榻刂範顟B(tài)，實(shí)時(shí)積分器復位，以準備下一個(gè)開(kāi)關(guān)周期。當前開(kāi)關(guān)周期的占空比由式(3)決定，即

因此，在一個(gè)開(kāi)關(guān)周期里可以瞬時(shí)地控制輸出信號。按照這種概念控制開(kāi)關(guān)的技術(shù)稱(chēng)為單周期控制技術(shù)，單周期控制技術(shù)將非線(xiàn)性開(kāi)關(guān)變?yōu)榫€(xiàn)性開(kāi)關(guān)，是一種非線(xiàn)性技術(shù)。
文獻[5]提出了Boost電路的單周期控制策略，如圖2所示。在穩態(tài)情況下，當開(kāi)關(guān)管導通時(shí)，二極管上電壓vD為U0，當開(kāi)關(guān)關(guān)斷時(shí)，二極管上壓降為零，所以可以通過(guò)控制二極管上的電壓，使其在一個(gè)周期內的平均值等于參考值，從而改變占空比，即

由于二極管電壓的電壓參考點(diǎn)是A，所以Boost電路的單周期控制規則為

2 單周期控制Boost變換器的雙環(huán)控制
在文獻[5]和[7]的基礎上，本文研究了單周期控制Boost變換器的一種雙環(huán)控制策略。首先，從Boost變換器的工作原理著(zhù)手分析，圖3為Boost變換器及電感電流波形圖，為了方便討論，假設所有的元件都是理想的，同時(shí)負載電流足夠大，電感電流連續，輸出電壓在一個(gè)開(kāi)關(guān)周期內為常數。

穩態(tài)時(shí)，根據在一個(gè)周期內電感電流變化量相等，也即電感伏秒積相等的原則，有

將式(8)代入式(7)中則得到單周期控制

U1=-RsiL,如圖3(a)所示.
式(9)可以通過(guò)圖4(a)的復位積分電路來(lái)實(shí)現。其中U+=Um，U1=-RSiL，U-=-UmD，時(shí)間常數RC1等于RS觸發(fā)器時(shí)鐘Clock的周期時(shí)間TS。圖4（b）為占空比D的示意圖，當U-減小到U+時(shí)，積分結束。

3 仿真分析
根據前面的論述，可以構建出雙環(huán)單周期控制Boost電路，如圖5所示。為了驗證其可行性以及更加明確系統各模塊之問(wèn)的關(guān)系，本文采用Saber軟件進(jìn)行了仿真分析，仿真參數如下：
輸入電壓 Ui=110V；
開(kāi)關(guān)頻率 fs=100kHz：
輸出電壓 U0=300V；
輸出功率 P0=300W。
圖6為仿真結果，圖6(a)為比較器輸入端電壓U-、U+以及輸出RS觸發(fā)器復位脈沖信號R的局部展開(kāi)波形；圖6(b)為RS觸發(fā)器PWM信號產(chǎn)生波形；圖6(c)為輸出電壓U0以及電感電流波形。
仿真結果表明，雙環(huán)單周期控制策略是可行的，復位積分電路各模塊之間能按設計的邏輯工作，輸出電壓穩定在300V。

4 實(shí)驗驗證
4.1 實(shí)驗樣機設計
圖5中虛線(xiàn)框中的控制電路可以用新型芯片IRll50S來(lái)實(shí)現，如圖7所示。lRll50S是一種工作于連續模式的基于單周期控制技術(shù)的控制芯片，具有過(guò)壓保護、欠壓保護、空載保護、峰值電流控制以及軟啟動(dòng)功能。該芯片只有8個(gè)引腳，采用S0-8封裝，有很強的驅動(dòng)能力，最大驅動(dòng)電流達到1.5A，頻率設定只需通過(guò)一個(gè)電阻R2來(lái)調節，整個(gè)控制系統十分簡(jiǎn)單。

本文應用該芯片設計了一臺原理樣機，實(shí)驗主要參數為：輸入電壓80~250V，Boost電感780μH，工作頻率f=100kHz，輸出電壓U0=300V，過(guò)壓保護電壓360V，額定功率300W，采樣電阻O.1Ω，輸出濾波電容：330μF/450V。
4.2 實(shí)驗結果及分析
從圖8和圖9可以看出，隨著(zhù)輸入電壓增加，占空比逐漸減小，輸入電流減小，檢測電阻端電壓(負壓)也減小，從而誤差放大器的輸出Um也減小。
圖10和圖l1表明，隨著(zhù)輸入電壓的增加，輸出電壓穩定在300V。

圖12是該變換器的空載損耗曲線(xiàn)圖，可以看出，隨著(zhù)輸入電壓的增加，輸入電流減小，損耗逐漸減小，當輸入電壓達到180V后，損耗基本穩定在0.51W。
隨著(zhù)輸入電壓的增加，系統的效率逐漸增加，主要是由于輸入電流的減小，系統的損耗有所減小。滿(mǎn)載情況下，輸入電壓為220V時(shí)效率最高，達到了97.9％。

5 結語(yǔ)
本文介紹了單周期控制技術(shù)的基本原理，研究了單周期控制Boost變換器的一種雙環(huán)控制方案，應用仿真分析證實(shí)了其可行性，并應用基于單周期控制技術(shù)的芯片IRll50S設計制作了一臺實(shí)驗樣機。實(shí)驗證明，采用這種控制方案的Boost變換器工作穩定，整機效率高，系統具有良好的性能。