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[导读]单周期控制技术(OCC)是一种新型非线性大信号PWM控制技术。首先论述了单周期控制技术的基本原理,然后提出了单周期控制Boost变换器的一种双环控制策略,并通过仿真分析了其可行性,最后应用最新的单周期控制芯片IRll50S进行实验论证。

摘 要:单周期控制技术(OCC)是一种新型非线性大信号PWM控制技术。首先论述了单周期控制技术的基本原理,然后提出了单周期控制Boost变换器的一种双环控制策略,并通过仿真分析了其可行性,最后应用最新的单周期控制芯片IRll50S进行实验论证。实验证明了这种控制策略下单周期控制Boost变换器具有良好的性能。
关键词:单周期控制;Boost变换器,IRll50S


0 引言
    开关变换器是脉冲式的非线性动态系统,在适当的脉冲非线性控制下,系统应当比传统的先行反馈控制更稳定,有更好的动态性能和抗扰动性。当输入电压或负载发生变化时,电压型反馈控制需要多个开关周期才能达到稳态。电流型反馈控制利用了变换器的脉冲和非线性特点,当占空比D大于O.5时,若采用的斜坡补偿很精确,能使系统在一个开关周期内达到稳态,但是往往实际中斜坡补偿不能完全匹配,所以仍然需要多个开关周期才能达到稳态。
    单周期控制技术是1991年由Keyue M.smedley提出的一种非线性大信号PWM控制理论,它最大的特点是能使系统在一个周期之内达到稳态,每个周期的开关误差不会带人下一个周期。这种控制方法具有调制和控制的双重性,开关变量和参考电压间既没有动态误差也没有稳态误差。因此,单周期控制技术近年在各种DC/DC、DC/AC、AC/DC变换器中来得到了广泛的应用。

1 单周期控制基本原理
   
单周期控制技术,包括恒频PWM开关、恒定导通时间开关、恒定截止时间开关、变化开关的单周期控制技术共4种类型。对于恒频PWM开关,开关周期TS恒定,单周期控制就是要调节导通时间TON,从而使得斩波波形的积分值等于基准信号。恒频PWM开关单周期控制原理,如图1所示。

    没开关S以一定开关频率fs=l/Ts的开关函数K(t)工作,即:

   
    占空比D=TON/TS模拟基准信号ur(t)调制。开关的输入信号x(t)被开关斩波,开关的输出信号y(t)的频率、脉宽与开关函数k(t)相同,y(t)的包络线就是x(t),即y(t)=k(t)x(t)。
    开关S一旦由固定频率的时钟脉冲开通,实时积分器就开始工作,设定时间常数RC等于时钟uc周期时间TS,其积分值为

   
    当积分值ue达到基准信号ur(t)时,RS触发器就复位,S变为截止状态,实时积分器复位,以准备下一个开关周期。当前开关周期的占空比由式(3)决定,即

   
    因此,在一个开关周期里可以瞬时地控制输出信号。按照这种概念控制开关的技术称为单周期控制技术,单周期控制技术将非线性开关变为线性开关,是一种非线性技术。
    文献[5]提出了Boost电路的单周期控制策略,如图2所示。在稳态情况下,当开关管导通时,二极管上电压vD为U0,当开关关断时,二极管上压降为零,所以可以通过控制二极管上的电压,使其在一个周期内的平均值等于参考值,从而改变占空比,即

   
由于二极管电压的电压参考点是A,所以Boost电路的单周期控制规则为


2 单周期控制Boost变换器的双环控制
   
在文献[5]和[7]的基础上,本文研究了单周期控制Boost变换器的一种双环控制策略。首先,从Boost变换器的工作原理着手分析,图3为Boost变换器及电感电流波形图,为了方便讨论,假设所有的元件都是理想的,同时负载电流足够大,电感电流连续,输出电压在一个开关周期内为常数。

    稳态时,根据在一个周期内电感电流变化量相等,也即电感伏秒积相等的原则,有

将式(8)代入式(7)中则得到单周期控制

    U1=-RsiL,如图3(a)所示.
    式(9)可以通过图4(a)的复位积分电路来实现。其中U+=Um,U1=-RSiL,U-=-UmD,时间常数RC1等于RS触发器时钟Clock的周期时间TS。图4(b)为占空比D的示意图,当U-减小到U+时,积分结束。

3 仿真分析
    根据前面的论述,可以构建出双环单周期控制Boost电路,如图5所示。为了验证其可行性以及更加明确系统各模块之问的关系,本文采用Saber软件进行了仿真分析,仿真参数如下:
    输入电压 Ui=110V;
    开关频率 fs=100kHz:
    输出电压 U0=300V;
    输出功率 P0=300W。
    图6为仿真结果,图6(a)为比较器输入端电压U-、U+以及输出RS触发器复位脉冲信号R的局部展开波形;图6(b)为RS触发器PWM信号产生波形;图6(c)为输出电压U0以及电感电流波形。
    仿真结果表明,双环单周期控制策略是可行的,复位积分电路各模块之间能按设计的逻辑工作,输出电压稳定在300V。


4 实验验证
4.1 实验样机设计
   
图5中虚线框中的控制电路可以用新型芯片IRll50S来实现,如图7所示。lRll50S是一种工作于连续模式的基于单周期控制技术的控制芯片,具有过压保护、欠压保护、空载保护、峰值电流控制以及软启动功能。该芯片只有8个引脚,采用S0-8封装,有很强的驱动能力,最大驱动电流达到1.5A,频率设定只需通过一个电阻R2来调节,整个控制系统十分简单。

    本文应用该芯片设计了一台原理样机,实验主要参数为:输入电压80~250V,Boost电感780μH,工作频率f=100kHz,输出电压U0=300V,过压保护电压360V,额定功率300W,采样电阻O.1Ω,输出滤波电容:330μF/450V。
4.2 实验结果及分析
    从图8和图9可以看出,随着输入电压增加,占空比逐渐减小,输入电流减小,检测电阻端电压(负压)也减小,从而误差放大器的输出Um也减小。
    图10和图l1表明,随着输入电压的增加,输出电压稳定在300V。

    图12是该变换器的空载损耗曲线图,可以看出,随着输入电压的增加,输入电流减小,损耗逐渐减小,当输入电压达到180V后,损耗基本稳定在0.51W。
    随着输入电压的增加,系统的效率逐渐增加,主要是由于输入电流的减小,系统的损耗有所减小。满载情况下,输入电压为220V时效率最高,达到了97.9%。


5 结语
   
本文介绍了单周期控制技术的基本原理,研究了单周期控制Boost变换器的一种双环控制方案,应用仿真分析证实了其可行性,并应用基于单周期控制技术的芯片IRll50S设计制作了一台实验样机。实验证明,采用这种控制方案的Boost变换器工作稳定,整机效率高,系统具有良好的性能。

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