单周期控制Boost电路的研究与分析

郑峰，姚巽，马艳峰，王江平

(兰州供电公司，甘肃 兰州 730050)

1 引言

“绿色照明［1］”概念是由美国环保局(EPA)1991年1月首先提出，实施宗旨在于保护环境、节约能源、提高照明质量。我国于1996年正式实施“绿色照明工程”，电子镇流器取代电感镇流器已经成为绿色照明工程中的一项紧迫任务。为了减少供电波动对照明质量和灯的寿命的影响，采用合适的控制策略可以较好的提高灯的工作质量和寿命。目前有多种闭环控制技术可以用来改善镇流器功率因数，减小镇流器所产生的谐波对电网的污染，各个控制方式由于所涉及的方法不同，电路结构也各不相同。多重化技术是将多个方波进行叠加，消除低次谐波，得到阶梯型正弦波。功率因数校正器是在二极管不可控整流桥和滤波电容之间加上一级斩波式的功率变换电路用于功率因数校正的功率变换电路。矩阵变换器具有的双向结构，四象限运行易于实现，并实现能量的双向流动。这些工作方式有复杂的工作电路结构，成本较大，日常生活中较少使用。

2 单周期控制技术原理分析

单周期控制［2］是一种用于功率变换器的新型非线性PWM控制技术，是一种不需要乘法器的新颖功率因数校正(Power Factor Correction，简称PFC)控制方法，它将非线性开关变为线性开关，广泛使用于开关变换器的控制技术。其工作电路简单，功率因数达0.99。当输入电压发生扰动或负载快速变化时，采用单周期控制的功率变换器能在单周内实现控制目标，大大改善了变换器的动态性能。基本工作图如图1所示:一个PI调解器、一个积分复位器、一个比较器、一个RS触发器、一个时钟信号发生器和一个驱动放大器。

图1 单周期控制原理图

开关频率f高于输入信号X(t)和控制信号Vref(t)的带宽频率，在开关频率单周期中可以认为输入信号X(t)不变，得到的开关的输出信号为:

在非线性量中，假设调制开关的占空比使每个周期开关输出端斩波波形的积分值恰好等于控制信号的积分值，即:

在每个周期开关输出端斩波波形的平均值等于控制信号的平均值，即

在开关频率f一个周期内，输出信号能及时被控制。

这时开关的有效输出信号为:

通过开关抑制后输入信号和线性化后控制信号Vref(t)，单周期控制技术就由原来的复杂的非线性问题转变为线性问题。

3 单周期控制在Boost电路中的应用

单周期控制Boost电路工作原理图［3］如图2。单周期控制Boost电路工作原理分析:

导通时间:Ton=δTs=t1;关断时间:Toff=(1－δ)Ts=t2－t1

设定:

当电网提供的电流与电网电压同频同相位，即可实现了功率因数校正的目的。如果在每一个开关周期中，将式(6)带入式(7)且对两边进行积分，积分时间常数为开关周期，得到:

工作过程如下:输出电压V0的取样值和基准电压Vref比较后的差值经过PI调解器得到Vm，(加PI调解器是为了得到一个稳定的输出电压V0)。当时钟脉冲到来时，RS触发器Q端被置位高电平，主回路开关管S导通，电压Vg加到电感L两端，电感电流开始线性上升，电感储存能量;Q端此时为此时为低电平，积分器对误差输入信号Vm进行积分;同时Vm与RsiL通过减法器相减，其差值和积分器的输出:

图2 单周期控制原理图

进行比较，当积分器的输出值达到Vm与RsiL的差值时，比较器输出为高电平使RS触发器复位，Q端输出低电平，主回路开关管S关断，同时Q端此时为高电平，积分器复位，同时电感L电流线性下降，电感向负载和输出电容释放能量，这种状态一直持续到下一个时钟脉冲的上升沿到来再重复上一周期的过程，实现了电网输出电流和电压同相位，且为正弦波。

一个开关周期中，在主电路开关S的导通时间内，等式左边的下降斜率为Mc;同时输入电压直接加到电感L两端，电感电流线性上升，电感电流等于输入电流，上升斜率为:

当开关管S关断时，积分器复位，电感放电，电感电流线性下降，下降斜率为:

在稳态时，占空比dn+1与前一周期的占空比dn相关，和电流控制模式相类似，当M2＞Mc时，会出现不稳定，在占空比出现扰动，为了保证上式中占空比这个功能函数收敛，应使:

所以系统保持稳定的条件为:

根据单周期Boost电路工作原理及原理图1，搭建电路仿真主结构模型，建立单周期控制电路的Boost主电路的MATLAB仿真，如图3所示。

图3 单周期控制器仿真模型

4 电子镇流器仿真［4，5］

根据电子镇流器的特点，以Boost电路MATLAB仿真模型为基础，设计电子镇流器MATLAB仿真模型，如图4所示。

图4 电子镇流器MATLAB仿真模型

图5 谐振灯负载与晶体管电压、电流波形

根据电子镇流器工作原理当电路发生LC谐振时，C11在荧光灯两端形成高压，点亮灯负载，当灯负载被点亮后，LC谐振电路失谐，灯进入正常工作状态。通过MATLAB仿真，可以观察出晶体管和灯负载(此时电流主要通过C11)电流较小且均在晶体管允许流过电流范围内，如图5所示。当逆变电路发生谐振，电容C5、C6基本没有影响，所以在逆变电路发生谐振时，单周期控制的BOOST电路动态过程没有任何突变。当电子镇流器正常工作状态下，通过电路仿真表明，交流输入电流能良好跟随交流输入电压，功率因数较高，仿真结果如图6所示。

图6 仿真输出电压、电流

5 结束语

本文通过仿真论证了采用单周期控制技术的开关变换器能在每个开关周期抑制输入电压波动并且平均输入电流能快速跟踪控制参考量，且不受负载电流的约束，即使负载电流有很大的谐波也不会使输入电流发生畸变。实际中的开关、晶体管和二极管都不是理想器件，而且积分器动态响应速度慢，因此单周期控制的精确性还存在一定的偏差。但综合各方面考虑，单周期控制技术是一种很有发展前景的控制策略。

［1］兰天一.绿色照明是改善生态环境的重要措施［J］.中国能源，2000:32－34.

［2］张厚升.基于单周期控制的高功率因数整流器的研究［J］.全国优秀论文，2005.

［3］曹广华，胡宗波，张波.单周期控制BoostPFC变换器［J］.电力电子技术，2005.

［4］卓书芳，林国庆.电子镇流器设计的几个关键问题［J］.电子世界，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.