單周控制是一種新型大信號(hào)非線(xiàn)性控制,其利用開(kāi)關(guān)變換器的脈沖調(diào)制和非線(xiàn)性特性,實(shí)現(xiàn)了對(duì)時(shí)變電壓和電流平均值的瞬時(shí)控制,且動(dòng)態(tài)響應(yīng)快速、對(duì)輸入擾動(dòng)抑制能力強(qiáng)[1-4]，可以應(yīng)用于DC-DC、AC-DC、DC-AC開(kāi)關(guān)變換器中[2]。
    單周控制具有數(shù)學(xué)運(yùn)算簡(jiǎn)單、輸入擾動(dòng)響應(yīng)快速、開(kāi)關(guān)變量誤差小等優(yōu)點(diǎn)[1-2]，但對(duì)于輸出負(fù)載電流的擾動(dòng)，其穩(wěn)態(tài)和瞬態(tài)抑制能力較差[4]，使其應(yīng)用范圍受到了限制。而在實(shí)際應(yīng)用中開(kāi)關(guān)電源對(duì)動(dòng)態(tài)負(fù)載性能要求越來(lái)越嚴(yán)格，例如給微處理器供電的電壓調(diào)整模塊，其動(dòng)態(tài)特性極為關(guān)鍵。因此，研究滿(mǎn)足負(fù)載動(dòng)態(tài)性能要求的控制方法已成為電力電子領(lǐng)域研究的熱點(diǎn)之一[2-3]。
    本文對(duì)單周期控制負(fù)載擾動(dòng)調(diào)整性能差的問(wèn)題進(jìn)行研究，并從單周能量關(guān)系的角度提出了一種改進(jìn)型單周控制。仿真結(jié)果表明，該控制方法對(duì)輸入擾動(dòng)和負(fù)載擾動(dòng)都有較好的抑止能力。
1 單周控制的基本原理
    Buck變換器的單周控制框圖如圖1所示，圖中可復(fù)位積分器和比較器是單周控制的核心部分。

    在每個(gè)開(kāi)關(guān)周期的起始點(diǎn)，由時(shí)鐘脈沖觸發(fā)控制器使開(kāi)關(guān)S閉合。此時(shí)Vd=Vg，積分電容Cint上的電壓從零線(xiàn)性上升，積分電壓Vint達(dá)到參考電壓的瞬間，比較器動(dòng)作、控制器復(fù)位、S斷開(kāi)，積分電容上的復(fù)位開(kāi)關(guān)閉合，積分電容兩端電壓下降到零，并保持到下一個(gè)周期。在圖1中S為開(kāi)關(guān)，Vg為開(kāi)關(guān)S的輸入變量,Vd為開(kāi)關(guān)S的輸出變量, 開(kāi)關(guān)S的開(kāi)關(guān)頻率是fs，開(kāi)關(guān)周期是Ts，則：
  
    
    由此可以看出，開(kāi)關(guān)完全拒絕了輸入信號(hào)，線(xiàn)性通過(guò)了所有的控制參考信號(hào)Vref。所以，對(duì)于輸入電源電壓的擾動(dòng)，單周期控制方法具有快速、良好的抑制性能。
2 負(fù)載擾動(dòng)分析
    根據(jù)狀態(tài)空間平均法[5]和等效受控源平均法[6]，推出Buck電路大信號(hào)低頻平均電路模型[4]如圖2所示。
    分析圖2電路，據(jù)KVL得：
    

    負(fù)載為R時(shí)的穩(wěn)態(tài)情況下(穩(wěn)態(tài)0)：
  
    圖3即為從穩(wěn)態(tài)0到穩(wěn)態(tài)1時(shí)的電感電流波形圖，圖3(b)為圖3(a)中10 ms出現(xiàn)負(fù)載擾動(dòng)時(shí)，電流上升過(guò)程中的一段放大效果圖。從圖3(b)可以看出，電感電流單周平均值是一個(gè)漸變的過(guò)程，這個(gè)過(guò)程即為對(duì)應(yīng)電感能量的調(diào)整過(guò)程。

    所以輸出電壓Vo比Vref小，直到進(jìn)入穩(wěn)態(tài)1，電感電壓又重新滿(mǎn)足伏秒平衡。此時(shí)，輸出電壓又穩(wěn)定在參考值Vref。同理，可以分析電阻增大的情況。
    由以上分析可知，由于出現(xiàn)負(fù)載擾動(dòng)時(shí)，在動(dòng)態(tài)過(guò)程中，電感單周總儲(chǔ)能要調(diào)整到新穩(wěn)態(tài)的單周總儲(chǔ)能等級(jí)，所以在擾動(dòng)動(dòng)態(tài)過(guò)程中電感能量需要經(jīng)過(guò)一個(gè)逐步調(diào)整的過(guò)程。在此調(diào)整過(guò)程中，電感單周平均電壓不為零，導(dǎo)致供給負(fù)載的單周總能量不能及時(shí)穩(wěn)定，從而引起了擾動(dòng)。
3 控制方程的推導(dǎo)
    針對(duì)負(fù)載擾動(dòng)過(guò)程中電感能量需要調(diào)整的特點(diǎn)，本文在借鑒參考文獻(xiàn)[7-8]依據(jù)能量關(guān)系進(jìn)行控制的基礎(chǔ)上，從單周能量關(guān)系的角度對(duì)單周控制進(jìn)行了改進(jìn)。圖4給出了改進(jìn)型單周控制的原理框圖。

   
4 仿真研究
    為了驗(yàn)證所提出的控制方式的可行性及性能，利用PISM搭建電路模型進(jìn)行仿真驗(yàn)證。參數(shù)設(shè)置為：fs=20 kHz，Vg=20 V，Vref=10 V，L=300μH，C=88μF，R=12 Ω。
    圖5、圖6分別為在10 ms時(shí)輸入電壓從20 V躍變至30 V以及在30 ms時(shí)輸入電壓從30 V躍變至20 V時(shí)的輸出電壓波形。對(duì)比仿真結(jié)果可知：?jiǎn)沃芸刂坪透倪M(jìn)型單周控制都對(duì)輸入擾動(dòng)有很強(qiáng)的抑止能力。

    圖7、圖8分別為在10 ms時(shí)負(fù)載電阻從12 Ω躍變成6 Ω以及在30 ms時(shí)負(fù)載電阻從6 Ω躍變成12 Ω時(shí)的輸出電壓波形。對(duì)比仿真結(jié)果可知：?jiǎn)沃芸刂茖?duì)負(fù)載擾動(dòng)的抑制能力十分薄弱，而改進(jìn)型單周控制對(duì)負(fù)載擾動(dòng)有很強(qiáng)的抑止能力，可以明顯看出改進(jìn)型單周控制的啟動(dòng)性能優(yōu)于單周控制。

    通過(guò)分析單周控制的擾動(dòng)過(guò)程發(fā)現(xiàn)，電感在擾動(dòng)過(guò)程中的能量調(diào)整與輸出電壓動(dòng)態(tài)不穩(wěn)定有關(guān)。從而依據(jù)能量守恒定律從單周能量關(guān)系的角度推導(dǎo)出了控制方程，并在該方程的基礎(chǔ)上搭建了仿真模型進(jìn)行仿真。理論分析與仿真結(jié)果表明，改進(jìn)型單周控制對(duì)輸入輸出擾動(dòng)有很好的抑止性能，且對(duì)輸出擾動(dòng)的抑止性能優(yōu)于單周控制。本文的改進(jìn)策略對(duì)改善單周控制對(duì)負(fù)載擾動(dòng)抑止能力薄弱的問(wèn)題是有益的探索，為單周控制的改進(jìn)提供了一種新的思路。
參考文獻(xiàn)
[1] SMEDLEY K M，CUK S．One-cycle control of switching converters[J]．IEEE Transaction on Power Electronics，1995，10(6)：625-933.
[2] 萬(wàn)蘊(yùn)杰，周林，張海，等．單周控制的發(fā)展及其應(yīng)用[J]．高電壓技術(shù)，2007，33(4)：163-169．
[3] 沈霞，王洪誠(chéng)，方瑋．基于恒定導(dǎo)通時(shí)間的V2控制方法研究[J]．電測(cè)與儀表，2009，46(527)：73-76．
[4] 林明維.PWM型DC/DC開(kāi)關(guān)變換器非線(xiàn)性閉環(huán)控制策略的研究[J].中國(guó)電機(jī)工程學(xué)報(bào)，2001，21(3)：19-22.
[5] MIDDLEBROOK R D，CUK S.A general unified approach  to modeling switching converter power stage[C].IEEE PESC  Record，1976：8-10.
[6] REDL R.Optimizing the load transient response of the buck  converter[C].APEC’98.
[7] 王云亮，李景隆．基于能量控制策略的直-交變換器的研究[J]．電氣自動(dòng)化，2008，30(6)：153-155．
[8] 王云亮，JIMMIE J.一種無(wú)動(dòng)態(tài)調(diào)整過(guò)程的新型DC-DC變換技術(shù)[J]．電力電子技術(shù)，2004，38(3)：14-16．