文 献 综 述

1单周期控制Buck变换器的背景及意义

单周期控制(One Cycle Control, OCC)是一种新型的非线性控制策略, 通过对开关变量进行积分, 使其在每个周期的平均值等于给定值, 从而在单周期内可以实现控制目标。采用单周期控制能有效地抑制输入电压快速扰动或者负载瞬变, 大大改善了变换器的动态性能。本文在分析单周期控制原理的基础上, 分析比较了Buck 变换器在电流连续模式(CCM)和电流不连续模式(DCM)下的运行情况。在DCM模式下, 单周期控制会发生失控现象, 从而限制了负载变化范围。文章针对可能出现的失控提出了改进办法, 提高了负载的范围。

在可再生能源联合发电系统中,采用一个多输入直流变换器(Multiple-Input Converter,MIC)代替多个单输入直流变换器可以简化电路结构,减低系统成本。采用MIC构成的可再生能源联合发电系统是一个典型的多输入-多输出的耦合系统,而且由于存在多个输入源,该系统需要进行能量管理,这使得MIC通常存在多个工作模式,因此该系统的控制闭环设计十分复杂。DC 一D C 变换器大多数控制方案是基于状态空间平均模型或线性化小信号模型t#8217;一较好地解决了PW M 型D C 一D C 变换器的稳态和动态低频小信号的分析问题。但是由于系统的强非线性, 这种简单模型的适用范围受到了很大限制。反步法阵4 〕和反步滑模法阵6〕是最近发展的针对不确定非线性系统的控制策略。

2单周期控制Buck变换器的原理分析

在图1 所示的Buck 变换器中, 开关S 工作在固定频率fs下, 当S 闭合D 断开时, Vd=Vg; 当S 断开D 导通时(CCM), Vd=0,电源电压Vg 通过开关斩波, LC 低通滤波, 从而使负载端输出电压Vo 恒定。通过分析可以发现Buck 变换器的输出电压Vo 就是开关变量的平均值。二极管D 两端平均电压Vd 等于二极管每个电压脉冲面积除以开关周期，在下图中图一为Buck变换器单周期控制原理图，图二为Buck变换器单周期控制仿真图。

所示为理想BUCK 变换器单周器控制仿真图, 采用固定开关频率, 在每个开关周期开始时S 闭合(Q=1, Qn=0), 开始对二极管电压Vd 进行积分, 由积分值Vint 与给定值Vref 进行比较,当Vint 达到Vref 时, 比较器改变输出状态, 使RS 触发器翻转(Q=0, Qn=1), S 断开, 同时产生一个脉冲使积分器复位, 积分器能在复位脉冲结束后立即重新开始积分, 直到下一个复位脉冲到来。如果给定值Vref 为一个常量, 则二极管电压的平均值也为常数,输出电压就保持常数。当Vref 变化时, 二极管电压在每个周期的平均值与Vref 相等。当Vref 出现一个阶跃变化时, 开关变量的平均值能很快跟随给定值变化。采用这种控制方法, 其占空比由式(2)决定, 而与前一开关周期的状态无关。

从(2)式可知, 占空比d 是一个由电源电压Vg 和Vref 组成的非线性函数。采用这种非线性控制, Buck 变换器输出电压vo 是Vref 的线性函数, 而与电源电压无关。采用电力电子专用仿真软件PSIM6.0 对该电路进行仿真,仿真参数如下:Vg=15V, Vref=- 4V, C=30uF, L=0.48mH, fs=30kHz,Rs=1kΩ, Cs=33.3nF, R=8Ω。在1ms 时Vg 增加一个10V 的阶跃电压, 二极管两端电压Vd、积分器输出电压Vint 波形和电路输出电压Vout 波形如图3 所示, 积分斜率与Vg/(RsCs)成比例, 输入电压变化时, 积分斜率相应变化; 在1ms 时改变给定电压值使Vref=- 6V, Vd、Vint 和Vout 波形如图4 所示。根据仿真输出结果可见单周期控制能有效地抑制输入电压Vg 波动, 也能很好地跟随给定指令输出。

为了验证以上改进措施的效果, 采用电力电子专用仿真软件PSIM 6.0, 对改进的Buck 变换器与原控制器进行对比仿真分析, 仿真参数如下:Vg=15V, Vref=- 4V, C=30uF, L=0.48mH, fs=30kHz, Rs=1kΩ, Cs=33.3nF, R=20Ω, 改进的OCC 控制Buck 变换器的仿真波形如图8 所示, 可以看到在0.46ms 处, Vcomp 经过一个很短的时间就回零了, 使积分器复位, Vint 回零。可以发现经过大约5ms, 电路的输出电压可以稳定在给定值了。其仿真结果可以作为Buck 变换器设计的依据。