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(guó)環(huán)保局(EPA)1991年1月首先提出，實(shí)施宗旨在于保護(hù)環(huán)境、節(jié)約能源、提高照明質(zhì)量。我國(guó)于1996年正式實(shí)施“綠色照明工程”，電子鎮(zhèn)流器取代電感鎮(zhèn)流器已經(jīng)成為綠色照明工程中的一項(xiàng)緊迫任務(wù)。為了減少供電波動(dòng)對(duì)照明質(zhì)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(zhì)量和壽命。目前有多種閉環(huán)控制技術(shù)可以用來(lái)改善鎮(zhèn)流器功率因數(shù)，減小鎮(zhèn)流器所產(chǎn)生的諧波對(duì)電網(wǎng)的污染，各個(gè)控制方式由于所涉及的方法不同，電路結(jié)構(gòu)也各不相同。多重化技術(shù)是將多個(gè)方波進(jìn)行疊加，消除低次諧波，得到階梯型正弦波。功率因數(shù)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(jí)斬波式的功率變換電路用于功率因數(shù)校正的功率變換電路。矩陣變換器具有的雙向結(jié)構(gòu)，四象限運(yùn)行易于實(shí)現(xiàn)，并實(shí)現(xiàn)能量的雙向流動(dòng)。這些工作方式有復(fù)雜的工作電路結(jié)構(gòu)，成本較大，日常生活中較少使用。

2 單周期控制技術(shù)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(shù)，是一種不需要乘法器的新穎功率因數(shù)校正(Power Factor Correction，簡(jiǎn)稱(chēng)PFC)控制方法，它將非線性開(kāi)關(guān)變?yōu)榫€性開(kāi)關(guān)，廣泛使用于開(kāi)關(guān)變換器的控制技術(shù)。其工作電路簡(jiǎn)單，功率因數(shù)達(dá)0.99。當(dāng)輸入電壓發(fā)生擾動(dòng)或負(fù)載快速變化時(shí)，采用單周期控制的功率變換器能在單周內(nèi)實(shí)現(xiàn)控制目標(biāo)，大大改善了變換器的動(dòng)態(tài)性能?；竟ぷ鲌D如圖1所示:一個(gè)PI調(diào)解器、一個(gè)積分復(fù)位器、一個(gè)比較器、一個(gè)RS觸發(fā)器、一個(gè)時(shí)鐘信號(hào)發(fā)生器和一個(gè)驅(qū)動(dòng)放大器。

圖1 單周期控制原理圖

開(kāi)關(guān)頻率f高于輸入信號(hào)X(t)和控制信號(hào)Vref(t)的帶寬頻率，在開(kāi)關(guān)頻率單周期中可以認(rèn)為輸入信號(hào)X(t)不變，得到的開(kāi)關(guān)的輸出信號(hào)為:

在非線性量中，假設(shè)調(diào)制開(kāi)關(guān)的占空比使每個(gè)周期開(kāi)關(guān)輸出端斬波波形的積分值恰好等于控制信號(hào)的積分值，即:

在每個(gè)周期開(kāi)關(guān)輸出端斬波波形的平均值等于控制信號(hào)的平均值，即

在開(kāi)關(guān)頻率f一個(gè)周期內(nèi)，輸出信號(hào)能及時(shí)被控制。

這時(shí)開(kāi)關(guān)的有效輸出信號(hào)為:

通過(guò)開(kāi)關(guān)抑制后輸入信號(hào)和線性化后控制信號(hào)Vref(t)，單周期控制技術(shù)就由原來(lái)的復(fù)雜的非線性問(wèn)題轉(zhuǎn)變?yōu)榫€性問(wèn)題。

3 單周期控制在Boost電路中的應(yīng)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(dǎo)通時(shí)間:Ton=δTs=t1;關(guān)斷時(shí)間:Toff=(1－δ)Ts=t2－t1

設(shè)定:

當(dāng)電網(wǎng)提供的電流與電網(wǎng)電壓同頻同相位，即可實(shí)現(xiàn)了功率因數(shù)校正的目的。如果在每一個(gè)開(kāi)關(guān)周期中，將式(6)帶入式(7)且對(duì)兩邊進(jìn)行積分，積分時(shí)間常數(shù)為開(kāi)關(guān)周期，得到:

工作過(guò)程如下:輸出電壓V0的取樣值和基準(zhǔn)電壓Vref比較后的差值經(jīng)過(guò)PI調(diào)解器得到Vm，(加PI調(diào)解器是為了得到一個(gè)穩(wěn)定的輸出電壓V0)。當(dāng)時(shí)鐘脈沖到來(lái)時(shí)，RS觸發(fā)器Q端被置位高電平，主回路開(kāi)關(guān)管S導(dǎo)通，電壓Vg加到電感L兩端，電感電流開(kāi)始線性上升，電感儲(chǔ)存能量;Q端此時(shí)為此時(shí)為低電平，積分器對(duì)誤差輸入信號(hào)Vm進(jìn)行積分;同時(shí)Vm與RsiL通過(guò)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(jìn)行比較，當(dāng)積分器的輸出值達(dá)到Vm與RsiL的差值時(shí)，比較器輸出為高電平使RS觸發(fā)器復(fù)位，Q端輸出低電平，主回路開(kāi)關(guān)管S關(guān)斷，同時(shí)Q端此時(shí)為高電平，積分器復(fù)位，同時(shí)電感L電流線性下降，電感向負(fù)載和輸出電容釋放能量，這種狀態(tài)一直持續(xù)到下一個(gè)時(shí)鐘脈沖的上升沿到來(lái)再重復(fù)上一周期的過(guò)程，實(shí)現(xiàn)了電網(wǎng)輸出電流和電壓同相位，且為正弦波。

一個(gè)開(kāi)關(guān)周期中，在主電路開(kāi)關(guān)S的導(dǎo)通時(shí)間內(nèi)，等式左邊的下降斜率為Mc;同時(shí)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(dāng)開(kāi)關(guān)管S關(guān)斷時(shí)，積分器復(fù)位，電感放電，電感電流線性下降，下降斜率為:

在穩(wěn)態(tài)時(shí)，占空比dn+1與前一周期的占空比dn相關(guān)，和電流控制模式相類(lèi)似，當(dāng)M2＞Mc時(shí)，會(huì)出現(xiàn)不穩(wěn)定，在占空比出現(xiàn)擾動(dòng)，為了保證上式中占空比這個(gè)功能函數(shù)收斂，應(yīng)使:

所以系統(tǒng)保持穩(wěn)定的條件為:

根據(jù)單周期Boost電路工作原理及原理圖1，搭建電路仿真主結(jié)構(gòu)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(zhèn)流器仿真［4，5］

根據(jù)電子鎮(zhèn)流器的特點(diǎn)，以Boost電路MATLAB仿真模型為基礎(chǔ)，設(shè)計(jì)電子鎮(zhèn)流器MATLAB仿真模型，如圖4所示。

圖4 電子鎮(zhèn)流器MATLAB仿真模型

圖5 諧振燈負(fù)載與晶體管電壓、電流波形

根據(jù)電子鎮(zhèn)流器工作原理當(dāng)電路發(fā)生LC諧振時(shí)，C11在熒光燈兩端形成高壓，點(diǎn)亮燈負(fù)載，當(dāng)燈負(fù)載被點(diǎn)亮后，LC諧振電路失諧，燈進(jìn)入正常工作狀態(tài)。通過(guò)MATLAB仿真，可以觀察出晶體管和燈負(fù)載(此時(shí)電流主要通過(guò)C11)電流較小且均在晶體管允許流過(guò)電流范圍內(nèi)，如圖5所示。當(dāng)逆變電路發(fā)生諧振，電容C5、C6基本沒(méi)有影響，所以在逆變電路發(fā)生諧振時(shí)，單周期控制的BOOST電路動(dòng)態(tài)過(guò)程沒(méi)有任何突變。當(dāng)電子鎮(zhèn)流器正常工作狀態(tài)下，通過(guò)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(shù)較高，仿真結(jié)果如圖6所示。

圖6 仿真輸出電壓、電流

5 結(jié)束語(yǔ)

本文通過(guò)仿真論證了采用單周期控制技術(shù)的開(kāi)關(guān)變換器能在每個(gè)開(kāi)關(guān)周期抑制輸入電壓波動(dòng)并且平均輸入電流能快速跟蹤控制參考量，且不受負(fù)載電流的約束，即使負(fù)載電流有很大的諧波也不會(huì)使輸入電流發(fā)生畸變。實(shí)際中的開(kāi)關(guān)、晶體管和二極管都不是理想器件，而且積分器動(dòng)態(tài)響應(yīng)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(shù)是一種很有發(fā)展前景的控制策略。

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［2］張厚升.基于單周期控制的高功率因數(shù)整流器的研究［J］.全國(guó)優(yōu)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(shù)，2005.

［4］卓書(shū)芳，林國(guó)慶.電子鎮(zhèn)流器設(shè)計(jì)的幾個(gè)關(guān)鍵問(wèn)題［J］.電子世界，2005.

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