Buck变换器的一种改进型单周控制策略

 单周控制是一种新型大信号非线性控制,其利用开关变换器的脉冲调制和非线性特性,实现了对时变电压和电流平均值的瞬时控制,且动态响应快速、对输入扰动抑制能力强[1-4]，可以应用于DC-DC、AC-DC、DC-AC开关变换器中[2]。

单周控制具有数学运算简单、输入扰动响应快速、开关变量误差小等优点[1-2]，但对于输出负载电流的扰动，其稳态和瞬态抑制能力较差[4]，使其应用范围受到了限制。而在实际应用中开关电源对动态负载性能要求越来越严格，例如给微处理器供电的电压调整模块，其动态特性极为关键。因此，研究满足负载动态性能要求的控制方法已成为电力电子领域研究的热点之一[2-3]。

本文对单周期控制负载扰动调整性能差的问题进行研究，并从单周能量关系的角度提出了一种改进型单周控制。仿真结果表明，该控制方法对输入扰动和负载扰动都有较好的抑止能力。

1 单周控制的基本原理

Buck变换器的单周控制框图如图1所示，图中可复位积分器和比较器是单周控制的核心部分。

在每个开关周期的起始点，由时钟脉冲触发控制器使开关S闭合。此时Vd=Vg，积分电容Cint上的电压从零线性上升，积分电压Vint达到参考电压的瞬间，比较器动作、控制器复位、S断开，积分电容上的复位开关闭合，积分电容两端电压下降到零，并保持到下一个周期。在图1中S为开关，Vg为开关S的输入变量,Vd为开关S的输出变量, 开关S的开关频率是fs，开关周期是Ts，则：

由此可以看出，开关完全拒绝了输入信号，线性通过了所有的控制参考信号Vref。所以，对于输入电源电压的扰动，单周期控制方法具有快速、良好的抑制性能。

2 负载扰动分析

根据状态空间平均法[5]和等效受控源平均法[6]，推出Buck电路大信号低频平均电路模型[4]如图2所示。
分析图2电路，据KVL得：

负载为R时的稳态情况下(稳态0)：

图3即为从稳态0到稳态1时的电感电流波形图，图3(b)为图3(a)中10 ms出现负载扰动时，电流上升过程中的一段放大效果图。从图3(b)可以看出，电感电流单周平均值是一个渐变的过程，这个过程即为对应电感能量的调整过程。

所以输出电压Vo比Vref小，直到进入稳态1，电感电压又重新满足伏秒平衡。此时，输出电压又稳定在参考值Vref。同理，可以分析电阻增大的情况。

由以上分析可知，由于出现负载扰动时，在动态过程中，电感单周总储能要调整到新稳态的单周总储能等级，所以在扰动动态过程中电感能量需要经过一个逐步调整的过程。在此调整过程中，电感单周平均电压不为零，导致供给负载的单周总能量不能及时稳定，从而引起了扰动。

3 控制方程的推导

针对负载扰动过程中电感能量需要调整的特点，本文在借鉴参考文献[7-8]依据能量关系进行控制的基础上，从单周能量关系的角度对单周控制进行了改进。图4给出了改进型单周控制的原理框图。


4 仿真研究

为了验证所提出的控制方式的可行性及性能，利用PISM搭建电路模型进行仿真验证。参数设置为：fs=20 kHz，Vg=20 V，Vref=10 V，L=300μH，C=88μF，R=12 Ω。

图5、图6分别为在10 ms时输入电压从20 V跃变至30 V以及在30 ms时输入电压从30 V跃变至20 V时的输出电压波形。对比仿真结果可知：单周控制和改进型单周控制都对输入扰动有很强的抑止能力。

图7、图8分别为在10 ms时负载电阻从12 Ω跃变成6 Ω以及在30 ms时负载电阻从6 Ω跃变成12 Ω时的输出电压波形。对比仿真结果可知：单周控制对负载扰动的抑制能力十分薄弱，而改进型单周控制对负载扰动有很强的抑止能力，可以明显看出改进型单周控制的启动性能优于单周控制。

通过分析单周控制的扰动过程发现，电感在扰动过程中的能量调整与输出电压动态不稳定有关。从而依据能量守恒定律从单周能量关系的角度推导出了控制方程，并在该方程的基础上搭建了仿真模型进行仿真。理论分析与仿真结果表明，改进型单周控制对输入输出扰动有很好的抑止性能，且对输出扰动的抑止性能优于单周控制。本文的改进策略对改善单周控制对负载扰动抑止能力薄弱的问题是有益的探索，为单周控制的改进提供了一种新的思路。