Buck变换器单周期控制分析

（１）
图 １ Ｂｕｃｋ 变换器的单周其控制原理图 图 ２ Ｂｕｃｋ 变换器单周期控制仿真图
许智榜： 硕士 讲师 基 金 项 目 ： 国 家 自 然 科 学 基 金 资 助 （６０６７４１０６）
术 图 ２ 所 示 为 理 想 ＢＵＣＫ 变 换 器 单 周 器 控 制 仿 真 图， 采 用 固
定开关频率， 在每个开关周期开始时 Ｓ 闭合（Ｑ＝１， Ｑｎ＝０）， 开始对
图 ４ 给定电压变化时 Ｖｄ、Ｖｉｎｔ 和 Ｖｏｕｔ 的仿真波形
技
术
图 ５ Ｒ 为 ２０Ω时 Ｖｄ、Ｖｉｎｔ 和 Ｖｏｕｔ 的仿真波形
ＤＣＭ下， 二极管两端的电压如图 ６ 所示 ， 在 ｔ＝ｔ１ 时 ， Ｓ 断 开 ，
创 ｉＬ 下 降 ， ｔ１～ｔ２ 间 Ｄ 导 通 ， 则 Ｖｄ＝０， ｔ２ 时 ， 电 感 电 流 释 放 完 毕 ， 由 于
本文作者创 新 点 在 于 针 对 Ｂｕｃｋ 变 换 器 单 周 期 控 制 在 电 流 不连续时可能会出现的失控现象， 提出了改进措施， 从而大大 提高了变换器负载变化范围。 参考文献 ［１］Ｋ． Ｍ． Ｓｍｅｄｌｅｙ， Ｓ Ｃｕｋ． Ｏｎｅ － Ｃｙｃｌｅ Ｃｏｎｔｒｏｌ ｏｆ Ｓｗｉｔｃｈｉｎｇ Ｃｏｎｖｅｒｔｅｒｓ［Ｊ］． ＩＥＥＥ Ｔｒａｎｓ． ｏｎ Ｐｏｗｅｒ Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ， １９９５，１０（６）：６２５￣ ６３３． ［２］Ｎ． Ｆｅｍｉａ， Ｇ． Ｐｅｔｒｏｎｅ， Ｇ． Ｓｐａｇｎｏｌｏ， Ｍ． Ｖｉｔｅｌｌｉ． Ｏｎｅ － Ｃｙｃｌｅ ｃｏｎｔｒｏｌ ｏｆ ｃｏｎｖｅｒｔｅｒｓ ｏｐｅｒａｔｉｎｇ ｉｎ ＤＣＭ［Ｊ］． Ｐｒｏｃｅｅｄｉｎｇｓ． ２００６ ＩＥＥＥ Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ Ｓｙｍｐｏｓｉｕｍ ｏｎ Ｃｉｒｃｕｉｔｓ ａｎｄ Ｓｙｓｔｅｍｓ：８３９￣８４２ ［３］曹香凝， 汪东旭， 严利民． 直流开关电源的研究［Ｊ］． 微计算机 信息， ２００５， ２１（３）：１３０￣１３１． 作者 简 介： 许 智 榜（１９７１－ ）， 男 ， 硕 士 ， 讲 师 ， 主 要 研 究 方 向 智 能 电 气控制， 电力电子与电气传动。 Ｂｉｏｇｒ ａｐｈｙ：Ｘｕ Ｚｈｉｂａｎｇ （１９７１ － ）， ｍａｌｅ， ｒｅｓｅａｒｃｈｉｎｇ ｗｏｒｋ ｉｓ ｆｏｃｕｓｉｎｇ ｏｎ ｉｎｔｅｌｌｉｇｅｎｔ ｅｌｅｃｔｒｉｃ ｃｏｎｔｒｏｌ ａｎｄ ｐｏｗｅｒ ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ ｃｏｎｖｅｒｔｅｒ ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ． （３３００１３ 南 昌 华 东 交 通 大 学 电 气 与 电 子 工 程 学 院 ） 许 智 榜 石晓瑛 通 讯 地 址：（３３００１３ 南 昌 华 东 交 通 大 学 电 气 与 电 子 工 程 学 院） 许智榜
关键词：单周期控制 ＯＣＣ； Ｂｕｃｋ 变换器；电流不连续模式 ＤＣＭ
中 图 分 类 号 ： Ｔ Ｍ ４６
文献标识码：Ａ
Ａｂｓｔｒ ａｃｔ：Ｏｎｅ － Ｃｙｃｌｅ ｃｏｎｔｒｏｌ ｉｓ ａ ｎｅｗ ｎｏｎｌｉｎｅａｒ ｔｅｃｈｎｉｑｕｅ ｂａｓｅｄ ｏｎ ｔｈｅ ｉｎｔｅｇｒａｔｉｏｎ ｏｆ ａ ｓｗｉｔｃｈｅｄ ｖａｒｉａｂｌｅ． Ｉｔ ｉｓ ｆｉｒｍｎｅｓｓ ｆｏｒ ｐｏｗｅｒ
３ ＤＣＭ 下 ＯＣＣ 失 控 分 析 及 改 进
措施
当负载电阻值发生变化， 如 Ｒ＝１２Ω时， 仔细观察 Ｖｄ 和 Ｖｉｎｔ 的波形， 发现虽然在 ０．４５ｍｓ￣０．７５ｍｓ 间出现了电流不连续 ＤＣＭ 的情况， 此时单周期控制同样能保证输出电压恒定。但是当电阻 增加到 ２０Ω时（仿真波形如图 ５ 所示）， 电路最后的稳定输出电压 为电源电压 １５Ｖ， 即 Ｓ 始终闭合， 可见此时电路处于失控状态。
式（２）决定， 而与前一开关周期的状态无关。
１ Ｔ
∫ｄＴｓ
０
ｖｇｄｔ＝ｖｒｅｆ
（２）
从（２）式可知， 占空比 ｄ 是 一 个 由 电 源 电 压 Ｖｇ 和 Ｖｒｅｆ 组 成 的 非线性函数。采用这种非线性控制， Ｂｕｃｋ 变换器输出电压 ｖｏ 是 Ｖｒｅｆ 的线性函数， 而与电源电压无关。
采用电力电子专用仿真软件 ＰＳＩＭ ６．０ 对该电路 进 行 仿 真 ， 仿 真 参 数 如 下 ：Ｖｇ＝１５Ｖ， Ｖｒｅｆ＝－ ４Ｖ， Ｃ＝３０ｕＦ， Ｌ＝０．４８ｍＨ， ｆｓ＝３０ｋＨｚ， Ｒｓ＝１ｋΩ， Ｃｓ＝３３．３ｎＦ， Ｒ＝８Ω。在 １ｍｓ 时 Ｖｇ 增加一个 １０Ｖ 的阶跃电 压， 二极管两端电压 Ｖｄ、积分器 输 出 电 压 Ｖｉｎｔ 波 形 和 电 路 输 出 电压 Ｖｏｕｔ 波形如图 ３ 所示， 积分斜率与 Ｖｇ／（ＲｓＣｓ）成比例， 输入电 压 变 化 时 ， 积 分 斜 率 相 应 变 化 ； 在 １ｍｓ 时 改 变 给 定 电 压 值 使 Ｖｒｅｆ＝－ ６Ｖ， Ｖｄ、Ｖｉｎｔ 和 Ｖｏｕｔ 波 形 如 图 ４ 所 示 。 根 据 仿 真 输 出 结 果 可 见单周期控制能有效地抑制输入电压 Ｖｇ 波动， 也能很好地跟随 给定指令输出。
（３）
输出端电压等于开关周期内二极管两端电压的平均值。只 要 积 分 器 复 位 时 间 比 电 感 放 电 时 间 短 ， 即 在 ｔ１ 开 始 复 位 ， 复 位 脉冲宽度小于（ｔ２－ ｔ１）， 即可保证 ＯＣＣ 在 ＤＣＭ 状态下仍有效。
图 ７ 改进后 Ｂｕｃｋ 变换器单周期控制仿真图 通 过 上 述 分 析 ， 如 果 在 Ｖｉｎｔ 达 到 Ｖｒｅｆ 后 ， 为 防 止 积 分 器 继 续积分直到饱和， 在下一个时钟周期到来时强迫积分器复位， 并 开通 Ｓ， 重新进行积分， 即可改善单周期控制。 分析图 ５ 波形可知， 在正常工作时， Ｖｃｏｍｐ 的脉冲总是发生在 对 应 的 时 钟 脉 冲 Ｖｃｌｋ 之 后 ， 但 出 现 失 控 时（０．４６ｍｓ 处）， Ｖｃｏｍｐ 出 现在 Ｖｃｌｋ 之前， 故出现不能产生复位脉冲， 而且其后一直保持高 电平。可以利用该特点进行控制电路改进。 改进后 的 Ｂｕｃｋ 变 换 器 电 路 单 周 期 控 制 如 图 ７ 所 示 。 即 在 比较器后加一个与门， 正常工作时， 因不可能同时为高电平， 当 Ｖｃｌｋ 为高电平时， 反相后与门输出为低电平， 与 Ｖｃｏｍｐ 电平一致。当 Ｖｃｌｋ 为低电平时， 反相为高电平， 与门的输出与 Ｖｃｏｍｐ 电平一致， 即 正常工作时与不加反相器和与门时的图 ２ 完全相同。当电路出 现异常时（此时 Ｑ＝０， Ｑｎ＝１， 无法产生积分器复位脉冲）， Ｖｃｏｍｐ 为高 电平， 到下 一个时钟周期到来时， Ｖｃｌｋ 经 输 出 低 电 平 ， 使 与 门 输 出为低电平， ＲＳ 触发器使 Ｑ＝１， Ｑｎ＝０， 继续积分， 此时 Ｖｉｎｔ 已超过 Ｖｒｅｆ， Ｖｃｏｍｐ 为高电平， 使 ＲＳ 触发器翻转， Ｑｎ＝１， 积分器复位。
此 时 Ｓ 仍处于断开状态 ， 故 ｔ２～ｔ３ 间， Ｖｄ＝Ｖｏｕｔ， 当 Ｖｄ 增加时开始对
新 其进行积分， 在 ｔ３ 时刻 Ｓ 在时钟的触发下导通， Ｖｄ＝Ｖｇ， 积 分斜率
变 大 ， 当 积 分 输 出 Ｖｉｎｔ 达 到 参 考 值 时 ， Ｓ 在 Ｖｃｏｍｐ 的 作 用 下 断 开 ，
同时对积分器进行复位。
如果给定值 Ｖｒｅｆ 为一个常量， 则二极管电压的平均值 也 为 常 数 ， 输出电压就保持常数。当 Ｖｒｅｆ 变化时， 二极管电压在每个周期的 平均值与 Ｖｒｅｆ 相等。当 Ｖｒｅｆ 出 现 一 个 阶 跃 变 化 时 ， 开 关 变 量 的 平 均值能很快跟随给定值变化。采用这种控制方法， 其占空比由
图 ８ 改进的单词期控制 Ｂｕｃｋ 变换器仿真波形 对该控制方法进行负载瞬变仿真实验， 开始时负载为 ２０Ω， １０ｍｓ 时电阻突变到 ３８０Ω， 输出电压的仿真波形如图 ９ 所示， 可 见输出能很好的稳定在给定值， 不会出现失控现象。
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《现场总线技术应用 ２００ 例》
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图 ９ 负载瞬变时输出电压波形
５ 小结
文 章 对 单 周 期 控 制 Ｂｕｃｋ 变 换 器 在 ＤＣＭ 下 可 能 会 失 控 的 现象进行了分析， 针对问题给出了一种改进控制办法， 仿真表 明该方法能有效地抑制电源电压扰动和负载瞬时变化， 控制具 有较强的鲁棒性和快速的动态响应。
４ 仿真结果与分析
为了验证以上改进措施的效果， 采用电力电子专用仿真软 件 ＰＳＩＭ ６．０， 对 改 进 的 Ｂｕｃｋ 变 换 器 与 原 控 制 器 进 行 对 比 仿 真 分 析 ， 仿 真 参 数 如 下 ：Ｖｇ＝１５Ｖ， Ｖｒｅｆ＝－ ４Ｖ， Ｃ＝３０ｕＦ， Ｌ＝０．４８ｍＨ， ｆｓ＝ ３０ｋＨｚ， Ｒｓ＝１ｋΩ， Ｃｓ＝３３．３ｎＦ， Ｒ＝２０Ω， 改进 的 ＯＣＣ 控 制 Ｂｕｃｋ 变 换 器的仿真波形如图 ８ 所示， 可以看到在 ０．４６ｍｓ 处， Ｖｃｏｍｐ 经过一 个很短的时间就回零了， 使积分器复位， Ｖｉｎｔ 回零。可以发现经过 大约 ５ｍｓ， 电路的输出电压可以稳定在给定值了。其仿真结果可 以作为 Ｂｕｃｋ 变换器设计的依据。
２ ＯＣＣ 的基本原理及运行分析
在 图 １ 所 示 的 Ｂｕｃｋ 变 换 器 中 ， 开 关 Ｓ 工 作 在 固 定 频 率 ｆｓ 下， 当 Ｓ 闭合 Ｄ 断开时， Ｖｄ＝Ｖｇ； 当 Ｓ 断开 Ｄ 导通时（ＣＣＭ）， Ｖｄ＝０， 电源电压 Ｖｇ 通过开关斩波， ＬＣ 低通滤波， 从而使负载端输出 电 压 Ｖｏ 恒定。通 过 分 析 可 以 发 现 Ｂｕｃｋ 变 换 器 的 输 出 电 压 Ｖｏ 就 是开关变量的平均值。二极管 Ｄ 两 端 平 均 电 压 Ｖｄ 等 于 二 极 管 每个电压脉冲面积除以开关周期， 即式（１）。
ｄｉｓｔｕｒｂａｎｃｅ， ｂｕｔ ｉｎｆｉｒｍｎｅｓｓ ｆｏｒ ｌｏａｄ ｄｉｓｔｕｒｂａｎｃｅ． Ｉｎ ｔｈｉｓ ｐａｐｅｒ ｉｔ ｉｓ ｓｈｏｗｎ， ｔｈａｔ ＯＣＣ ｏｆ ｓｗｉｔｃｈｉｎｇ ｃｏｎｖｅｒｔｅｒｓ ｏｐｅｒａｔｉｒｌｙ． Ａｎ ｉｍｐｒｏｖｅｍｅｎｔ ｓｏｌｕｔｉｏｎ ｉｓ ｐｒｏｐｏｓｅｄ ｉｎ ｏｒｄｅｒ ｔｏ ａｌｌｏｗ ｔｈｅ ｒｉｇｈｔ ｗｏｒｋｉｎｇ ｏｆ ｔｈｅ ｓｙｓｔｅｍ ｅｖｅｎ ｕｎｄｅｒ ｌｏａｄ ｗｉｄｅｌｙ ｖａｒ－