单周控制DC/DC变换器的交流小信号模型与设计
摘要:以单周控制理论为基础,介绍了基本拓扑DC/DC变换器——Buck、Boost、 Buck?Boost在单周控制方式下的工作原理;建立了统一的控制方程;建立了这三种变换器在单周控制下的交流小信号模型,并给出了规范化的统一模型;以统一模型为基础,设计了一个Buck变换器。
关键词:单周控制;变换器;模型;设计
AC Small Signal Model and Design of One-cycle Controlled DC/DC Converters
DU Xiong,XIE Pin-fang,SU Xiang-feng
Abstract:Based on the one-cycle control theory the operation principle of one-cycle controlled basic toplolgy DC/DC converters——Buck、Boost、Buck-Boost is introduced, and the canonical control equations are proposed, too. The AC small signal models of the three converters are constructed, and the canonical model is also presented. A Buck converter is designed based on the canonical model.
Keywords:One-cycle control;Converter;Model;Design
1 引言
DC/DC变换器是一种非线性的动态系统。传统PWM变换器[1]控制系统是通过对占空比的线性化调节来减小输出误差。这种控制方式对输入电源电压的扰动,特别是其大幅值的升降变化,往往不能瞬时跟踪调节占空比来抑制输出误差。因此,瞬态过冲总是存在于这种传统控制方式中,其持续时间由回路增益和带宽决定,通常要经过几个开关周期才能重新达到稳态。在电流控制模式[1]中,通过加入人工斜坡来消除占空比大于等于0.5时产生的振荡。从理论上讲,如果人工斜坡的斜率选择得恰好和电感电流的下降斜率相等,可以在一个开关周期内消除电源电压扰动产生的影响。实际上,通常电感电流的下降斜率是几个状态变量的函数,人工斜坡的斜率不可能在任何时刻与电感电流下降斜率相等。因此,电流控制模式也不可能在一个开关周期内消除电源电压扰动产生的影响。滑模控制[1]与模拟信号离散时间区间变换器(ASDTIC)[1]在固定频率下的一个开关周期中也不能消除电源电压扰动产生的影响。而一种新的控制方式——单周控制[1,2]通过保持受控量的平均值恰好等于或正比于控制参考信号,能在一个开关周期内,有效地抑制电源侧的扰动。单周控制为恒频控制。该控制方式可广泛运用于非线性系统。本文介绍了单周控制的工作原理及单周控制DC/DC变换器的工作原理,建立了单周控制DC/DC变换器的交流小信号模型。
2 单周控制DC/DC变换器的工作原理
2.1 单周控制的工作原理
单周控制的基本思想是在每一个开关周期内使受控量的平均值恰好等于或正比于控制参考信号。其原理图如图1所示。
图7 仿 真 波 形
从仿真波形可以看出,根据单周控制变换器的统一模型设计的Buck变换器具有很强的抗输入侧电压干扰和负载变化的能力,稳定性好,响应速度快,输出电压纹波小。
5 结论
文中推导了单周控制DC/DC变换器的规范化控制方程,建立了单周控制DC/DC变换器的规范化交流小信号模型。为单周控制DC/DC变换器的设计提供了理论基础。设计实例和仿真结果证明了该模型的正确性与实用性。
参考文献
[1] K.M,Smeldy and S.Cuk.One-cycle control of switching converters[J]. IEEE Trans. Power Electron., 1995, 10(6)
[2] K.M,Smeldy and S.Cuk.Dynamics of one-cycle controlled Cukconverters[J]. IEEE Trans. Power Electron.,1995,10(6)
[3] R.D.Middlebrook.Modeling current pogrammed buck and boost regulators[J]. IEEE Trans. Power Electron.,1989,4(1)
[4] 寿晓强.一种新颖DC/DC变换器的研究[J].电机与控制学报,1997,(4)