單周期控制Boost電路的研究與分析

鄭峰，姚巽，馬艷峰，王江平

(蘭州供電公司，甘肅 蘭州 730050)

1 引言

“綠色照明［1］”概念是由美國環保局(EPA)1991年1月首先提出，實施宗旨在于保護環境、節約能源、提高照明質量。我國于1996年正式實施“綠色照明工程”，電子鎮流器取代電感鎮流器已經成為綠色照明工程中的一項緊迫任務。為了減少供電波動對照明質量和燈的壽命的影響，采用合適的控制策略可以較好的提高燈的工作質量和壽命。目前有多種閉環控制技術可以用來改善鎮流器功率因數，減小鎮流器所產生的諧波對電網的污染，各個控制方式由于所涉及的方法不同，電路結構也各不相同。多重化技術是將多個方波進行疊加，消除低次諧波，得到階梯型正弦波。功率因數校正器是在二極管不可控整流橋和濾波電容之間加上一級斬波式的功率變換電路用于功率因數校正的功率變換電路。矩陣變換器具有的雙向結構，四象限運行易于實現，并實現能量的雙向流動。這些工作方式有復雜的工作電路結構，成本較大，日常生活中較少使用。

2 單周期控制技術原理分析

單周期控制［2］是一種用于功率變換器的新型非線性PWM控制技術，是一種不需要乘法器的新穎功率因數校正(Power Factor Correction，簡稱PFC)控制方法，它將非線性開關變為線性開關，廣泛使用于開關變換器的控制技術。其工作電路簡單，功率因數達0.99。當輸入電壓發生擾動或負載快速變化時，采用單周期控制的功率變換器能在單周內實現控制目標，大大改善了變換器的動態性能。基本工作圖如圖1所示:一個PI調解器、一個積分復位器、一個比較器、一個RS觸發器、一個時鐘信號發生器和一個驅動放大器。

圖1 單周期控制原理圖

開關頻率f高于輸入信號X(t)和控制信號Vref(t)的帶寬頻率，在開關頻率單周期中可以認為輸入信號X(t)不變，得到的開關的輸出信號為:

在非線性量中，假設調制開關的占空比使每個周期開關輸出端斬波波形的積分值恰好等于控制信號的積分值，即:

在每個周期開關輸出端斬波波形的平均值等于控制信號的平均值，即

在開關頻率f一個周期內，輸出信號能及時被控制。

這時開關的有效輸出信號為:

通過開關抑制后輸入信號和線性化后控制信號Vref(t)，單周期控制技術就由原來的復雜的非線性問題轉變為線性問題。

3 單周期控制在Boost電路中的應用

單周期控制Boost電路工作原理圖［3］如圖2。單周期控制Boost電路工作原理分析:

導通時間:Ton=δTs=t1;關斷時間:Toff=(1－δ)Ts=t2－t1

設定:

當電網提供的電流與電網電壓同頻同相位，即可實現了功率因數校正的目的。如果在每一個開關周期中，將式(6)帶入式(7)且對兩邊進行積分，積分時間常數為開關周期，得到:

工作過程如下:輸出電壓V0的取樣值和基準電壓Vref比較后的差值經過PI調解器得到Vm，(加PI調解器是為了得到一個穩定的輸出電壓V0)。當時鐘脈沖到來時，RS觸發器Q端被置位高電平，主回路開關管S導通，電壓Vg加到電感L兩端，電感電流開始線性上升，電感儲存能量;Q端此時為此時為低電平，積分器對誤差輸入信號Vm進行積分;同時Vm與RsiL通過減法器相減，其差值和積分器的輸出:

圖2 單周期控制原理圖

進行比較，當積分器的輸出值達到Vm與RsiL的差值時，比較器輸出為高電平使RS觸發器復位，Q端輸出低電平，主回路開關管S關斷，同時Q端此時為高電平，積分器復位，同時電感L電流線性下降，電感向負載和輸出電容釋放能量，這種狀態一直持續到下一個時鐘脈沖的上升沿到來再重復上一周期的過程，實現了電網輸出電流和電壓同相位，且為正弦波。

一個開關周期中，在主電路開關S的導通時間內，等式左邊的下降斜率為Mc;同時輸入電壓直接加到電感L兩端，電感電流線性上升，電感電流等于輸入電流，上升斜率為:

當開關管S關斷時，積分器復位，電感放電，電感電流線性下降，下降斜率為:

在穩態時，占空比dn+1與前一周期的占空比dn相關，和電流控制模式相類似，當M2＞Mc時，會出現不穩定，在占空比出現擾動，為了保證上式中占空比這個功能函數收斂，應使:

所以系統保持穩定的條件為:

根據單周期Boost電路工作原理及原理圖1，搭建電路仿真主結構模型，建立單周期控制電路的Boost主電路的MATLAB仿真，如圖3所示。

圖3 單周期控制器仿真模型

4 電子鎮流器仿真［4，5］

根據電子鎮流器的特點，以Boost電路MATLAB仿真模型為基礎，設計電子鎮流器MATLAB仿真模型，如圖4所示。

圖4 電子鎮流器MATLAB仿真模型

圖5 諧振燈負載與晶體管電壓、電流波形

根據電子鎮流器工作原理當電路發生LC諧振時，C11在熒光燈兩端形成高壓，點亮燈負載，當燈負載被點亮后，LC諧振電路失諧，燈進入正常工作狀態。通過MATLAB仿真，可以觀察出晶體管和燈負載(此時電流主要通過C11)電流較小且均在晶體管允許流過電流范圍內，如圖5所示。當逆變電路發生諧振，電容C5、C6基本沒有影響，所以在逆變電路發生諧振時，單周期控制的BOOST電路動態過程沒有任何突變。當電子鎮流器正常工作狀態下，通過電路仿真表明，交流輸入電流能良好跟隨交流輸入電壓，功率因數較高，仿真結果如圖6所示。

圖6 仿真輸出電壓、電流

5 結束語

本文通過仿真論證了采用單周期控制技術的開關變換器能在每個開關周期抑制輸入電壓波動并且平均輸入電流能快速跟蹤控制參考量，且不受負載電流的約束，即使負載電流有很大的諧波也不會使輸入電流發生畸變。實際中的開關、晶體管和二極管都不是理想器件，而且積分器動態響應速度慢，因此單周期控制的精確性還存在一定的偏差。但綜合各方面考慮，單周期控制技術是一種很有發展前景的控制策略。

［1］蘭天一.綠色照明是改善生態環境的重要措施［J］.中國能源，2000:32－34.

［2］張厚升.基于單周期控制的高功率因數整流器的研究［J］.全國優秀論文，2005.

［3］曹廣華，胡宗波，張波.單周期控制BoostPFC變換器［J］.電力電子技術，2005.

［4］卓書芳，林國慶.電子鎮流器設計的幾個關鍵問題［J］.電子世界，2005.

［5］Lai Z，Smedley K，Ma Y.Time Quality One Cycle Control for Power Factor Correction.IEEE Trans.On Power Elect.March，1997，12(2):369 －375.