0 引言

    開關(guān)電源的控制技術(shù)是影響開關(guān)電源性能的主要因素,，隨著開關(guān)電源的廣泛應(yīng)用,，對(duì)其性能的要求在不斷提高^[1]。以線性控制理論為基礎(chǔ)的脈沖寬調(diào)制（Pulse Width Modulation,，PWM）技術(shù)存在瞬態(tài)特性差,、魯棒性差和補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)困難等問題，人們一直試圖采用更好的控制技術(shù)來改進(jìn)開關(guān)電源的性能,，以滿足電子設(shè)備對(duì)開關(guān)電源的要求^[2-4],。

    脈沖序列（Pulse Train，PT）控制技術(shù)是近年來提出的一種新型開關(guān)電源非線性控制技術(shù),，因具有控制電路簡(jiǎn)單,，瞬態(tài)特性、魯棒性好等優(yōu)點(diǎn),，獲得廣泛研究^[5-6],。PT控制技術(shù)預(yù)設(shè)兩個(gè)頻率相同而占空比不同的高、低功率電壓控制脈沖,，通過檢測(cè)和判斷開關(guān)周期起始時(shí)刻輸出電壓與參考電壓的關(guān)系來選擇合適的脈沖作為有效控制脈沖,。若干個(gè)高,、低功率電壓控制脈沖組成的脈沖序列形成一個(gè)脈沖序列循環(huán)周期，控制器通過調(diào)整脈沖序列循環(huán)周期中脈沖序列的組合方式實(shí)現(xiàn)對(duì)變換器輸出電壓的調(diào)節(jié),。

    開關(guān)變換器可工作于電感電流斷續(xù)導(dǎo)電模式(Discontinuous Conduction Mode,，DCM)和電感電流連續(xù)導(dǎo)電模式(Continuous Conduction Mode，CCM),。由于PT控制CCM變換器的穩(wěn)定性問題,，目前對(duì)PT控制技術(shù)的研究大都是工作于DCM的變換器，其帶載能力較差,。電感電流偽連續(xù)導(dǎo)電模式(Pseudo Continuous Conduction Mode,，PCCM)是一種有別于DCM和CCM的特殊工作模式，在每個(gè)開關(guān)周期結(jié)束前,，電感電流存在一段幅值不為零且保持不變的時(shí)間,，而不是DCM模式時(shí)的零電感電流^[7]。

    本文考慮電感和續(xù)流開關(guān)管的寄生參數(shù)對(duì)變換器電路的影響,，提出了一種新的脈沖序列控制策略,，使Buck-Boost變換器工作于PCCM模式，分析了控制的過程及高低功率電壓控制脈沖,，最后通過仿真及實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了該方法的可行性及理論分析的正確性,。

1 PT控制CCM Buck-Boost變換器

    圖1為PT控制PCCM Buck-Boost變換器的電路結(jié)構(gòu)圖，并聯(lián)在電感兩端的二極管D2和開關(guān)管S2,，能為電感電流提供一個(gè)續(xù)流通路,，通過控制兩個(gè)開關(guān)管的通斷，變換器可工作于PCCM模式,。一個(gè)開關(guān)周期內(nèi)PCCM Buck-Boost變換器存在三種工作模態(tài)：開關(guān)管S₁導(dǎo)通,、S₂關(guān)斷時(shí)變換器處于電感充電狀態(tài)，電感電流i_L線性增加,，二極管D1承受反向電壓關(guān)斷,，電容C向負(fù)載R放電；S₁,、S₂均關(guān)斷時(shí)變換器處于電感放電狀態(tài),，i_L不斷減小，D₁承受正向電壓導(dǎo)通,，電感L向C及R放電,；S₁關(guān)斷,、S₂導(dǎo)通時(shí)變換器處于電感慣性模態(tài),，i_L經(jīng)D₂和S₂續(xù)流，D₁再次承受反向電壓關(guān)斷,，C向R放電,，若忽略L,、D₂和S₂的寄生電阻，i_L保持不變,，而不是DCM下的零電感電流值,。

    實(shí)際工作時(shí)，由于電感,、開關(guān)管有損耗,，電感慣性模態(tài)期間電感電流會(huì)線性減小?？紤]電路中的損耗,，提出了一種新的PT控制PCCM Buck-Boost變換器控制策略，具有兩個(gè)控制變量,?？刂破饔擅}沖序列控制器和偽連續(xù)控制器組成，工作過程為：在每個(gè)開關(guān)周期的起始時(shí)刻,，采樣電路采樣輸出電壓V_o,，當(dāng)V_o低于基準(zhǔn)電壓V_ref時(shí)，脈沖序列控制器產(chǎn)生高能量電壓控制脈沖P_H1,，控制開關(guān)管S₁導(dǎo)通,，使電感電流i_L上升；當(dāng)P_H1脈沖結(jié)束后,，S₁關(guān)斷,，i_L下降；當(dāng)i_L下降到設(shè)定的參考電流I_ref時(shí),，偽連續(xù)控制器產(chǎn)生電流控制脈沖P_H2,，控制開關(guān)管S₂導(dǎo)通，i_L續(xù)流,，直至下一個(gè)開關(guān)周期開始,。當(dāng)V_o高于V_ref時(shí)，脈沖序列控制器控制產(chǎn)生低能量電壓控制脈沖P_L1,，控制S₁導(dǎo)通,，i_L上升；當(dāng)P_L1脈沖結(jié)束后,，S₁關(guān)斷,，i_L下降；i_L下降至設(shè)定的參考時(shí)間t_ref后,，偽連續(xù)控制器產(chǎn)生電流控制脈沖P_L2,，控制S₂導(dǎo)通，i_L續(xù)流,，直至下一個(gè)開關(guān)周期開始,。圖2為脈沖序列控制PCCM Buck-Boost變換器的主要工作波形,。

    若僅設(shè)置一個(gè)參考電流I_ref作控制變量，脈沖序列控制器在產(chǎn)生高低能量電壓控制脈沖時(shí),，偽連續(xù)控制器均在i_L下降到I_ref時(shí)產(chǎn)生相應(yīng)的電流控制脈沖,，控制S₂導(dǎo)通。但在實(shí)際工作時(shí),，由于低能量電壓控制脈沖周期工作時(shí),，電感慣性模態(tài)維持時(shí)間較長(zhǎng)，電感電流下降大,，會(huì)嚴(yán)重影響下一個(gè)周期的電感電流,，而高能量電壓控制脈沖工作的開關(guān)周期電感電流續(xù)流時(shí)間短，電感電流下降可忽略,。這兩種情況的電感電流波形如圖3,。

    提出的新型控制策略在設(shè)置一個(gè)參考電流的基礎(chǔ)上，增設(shè)一個(gè)對(duì)時(shí)間的控制量,，在產(chǎn)生低能量電壓控制脈沖時(shí),，使電感電流下降至設(shè)定時(shí)間，開關(guān)管S₂導(dǎo)通,，從而使偽連續(xù)控制器根據(jù)脈沖序列控制器產(chǎn)生的電壓控制脈沖產(chǎn)生相應(yīng)的電流控制脈沖,，不會(huì)影響下一個(gè)周期；而在產(chǎn)生高能量電壓控制脈沖時(shí),，仍使S₂在電感電流下降至參考電流時(shí)導(dǎo)通,。圖4為兩控制變量PT控制PCCM Buck-Boost變換器的控制流程圖。

2 高,、低能量電壓控制脈沖比例分析

    對(duì)于PT控制PCCM Buck-Boost變換器,，在產(chǎn)生高能量電壓控制脈沖P_H1的開關(guān)周期，開關(guān)管S₁導(dǎo)通時(shí)間為D_HT,，流經(jīng)S₁的電流波形如圖2所示,，該開關(guān)周期內(nèi)流經(jīng)S₁的電流平均值為：

式中I_ref為參考電流，D_H為P_H1的占空比,，T為開關(guān)周期,，V_i為輸入電壓，L為電感,。

    Buck-Boost變換器的輸入端電流即為流經(jīng)開關(guān)管S₁的電流,，故在高能量電壓控制脈沖P_H1作用的開關(guān)周期，變換器從輸入端獲得的能量為：

    類似地,，求得在低能量電壓控制脈沖P_L1作用的開關(guān)周期,，變換器從輸入端獲得的能量為：

式中D_L為P_L1的為占空比。

    假設(shè)Buck-Boost變換器工作于穩(wěn)態(tài)時(shí)，脈沖序列由μ_H個(gè)高能量電壓控制脈沖與μ_L個(gè)低能量電壓控制脈沖組成,，則一個(gè)脈沖序列循環(huán)周期內(nèi)，變換器從輸入端獲得的總能量為：

    設(shè)變換器的輸出功率為P,，能量轉(zhuǎn)化效率為η,，則存在以下關(guān)系：

    由以上各式可得PCCM模式下脈沖序列循環(huán)周期中P_H1脈沖和P_L1脈沖的數(shù)量比例關(guān)系：

    根據(jù)PCCM模式的分析方法，同樣可得到DCM模式時(shí)脈沖序列循環(huán)周期中高低能量電壓控制脈沖的數(shù)量比例關(guān)系：

    由式(6)和式(7)可分別得出PT控制PCCM模式和DCM模式下的μ_H/μ_L與負(fù)載功率P的關(guān)系曲線,，如圖5所示,。變換器電路參數(shù)為：V_i=10 V，V_o=9 V,，P=1.8 W,，T=50 μs，L=100 μH,，C=470 μF,；脈沖序列控制參數(shù)為：D_H=0.12，D_L=0.4,，I_ref=0.5 A,。

    由圖5可知，μ_H/μ_L隨著負(fù)載功率的增大而增加,，當(dāng)輸出功率增大到一定值時(shí),，μ_H/μL迅速增加，變換器不能正常工作,，從圖中可以看出PCCM模式能正常工作的輸出功率范圍要大于DCM模式,，即PCCM變換器帶載能力較強(qiáng)。

3 仿真研究

    為證明上述理論分析的正確性,，對(duì)兩控制變量PT控制PCCM Buck-Boost變換器進(jìn)行仿真研究,，仿真仍采用上節(jié)中的電路參數(shù)和控制參數(shù)。

    圖6給出了兩控制變量PT控制PCCM Buck-Boost變換器在不同負(fù)載功率下電壓控制脈沖的仿真波形,。輸入電壓為額定值,，P為1.8 W時(shí)，脈沖序列為P_H1-P_L1-P_L1-P_H1-P_L1,，μ_H/μ_L=2/3,；P減小為1.2 W時(shí)，脈沖序列為P_H1-P_L1-P_L1-P_L1,，μ_H/μ_L=1/3,；P增加為3.4 W時(shí)，脈沖序列為P_H1-P_H1-P_H1-P_L1,，μ_H/μ_L=3,。

    可見輕載時(shí)脈沖序列控制器產(chǎn)生相對(duì)較多的低能量電壓控制脈沖，重載時(shí)脈沖序列控制器產(chǎn)生相對(duì)較多的高能量電壓控制脈沖。另外,，輸出功率為3.4 W時(shí)PT控制DCM Buck-Boost變換器已不能正常工作,，PCCM模式相比于DCM模式提高了帶載能力。

4 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

    為了驗(yàn)證新型控制策略的可行性以及理論分析與仿真研究的正確性,，本文搭建了實(shí)驗(yàn)平臺(tái),，對(duì)兩控制變量PT控制PCCM Buck-Boost變換器進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證，實(shí)驗(yàn)參數(shù)與仿真參數(shù)相同,。實(shí)驗(yàn)裝置中的開關(guān)管均采用IRF3205,，二極管采用SR560，A/D轉(zhuǎn)換器采用LM393,，光耦采用6N137,，控制器采用數(shù)字控制器FPGA，型號(hào)為EP4CE15F17C8,，驅(qū)動(dòng)芯片采用A3120,。

    圖7為兩控制變量PT控制PCCM Buck-Boost變換器在P為1.8 W時(shí)的電壓控制脈沖和電感電流實(shí)驗(yàn)波形，控制器在一個(gè)脈沖序列循環(huán)周期發(fā)出的電壓控制脈沖序列為：P_H1-P_L1-P_L1-P_H1-P_L1,。實(shí)驗(yàn)結(jié)果與理論分析及仿真結(jié)果一致,，驗(yàn)證了新型控制策略的可行性及理論分析、仿真研究的正確性,。

5 結(jié)論

    本文在傳統(tǒng)的包含一個(gè)控制變量的PT控制PCCM變換器的基礎(chǔ)上,，提出一種具有兩個(gè)控制變量的PT控制策略，控制器根據(jù)脈沖序列產(chǎn)生高低能量電壓控制脈沖而產(chǎn)生相應(yīng)的電流控制脈沖,。詳細(xì)分析了這種控制策略下變換器的工作過程,，改善了變換器的性能。通過仿真和實(shí)驗(yàn)研究,，分析了脈沖序列控制PCCM Buck-Boost變換器的工作狀況及脈沖組合,，驗(yàn)證了新型控制策略的可行性和理論分析的正確性，同時(shí)也證明,，與PT控制DCM Buck-Boost變換器相比,，PT控制PCCM Buck-Boost變換器帶載能力有了明顯提高。

參考文獻(xiàn)

[1] 張占松,，蔡宣三．開關(guān)電源的原理與設(shè)計(jì)[M]．北京：電子工業(yè)出版社,，2005．

[2] 吳忠，李紅,，左鵬,，等．DC/DC升壓變換器串級(jí)控制[J]．中國(guó)電機(jī)工程學(xué)報(bào)，2002,，22(1)：110-115．

[3] 王鳳巖,，許建平,，許峻峰．V2控制Buck變換器分析[J]．中國(guó)電機(jī)工程學(xué)報(bào)，2005,，25(12)：67-72．

[4] 張黎,，丘水生．Buck變換器的積分重構(gòu)滑模控制[J]．電機(jī)與控制學(xué)報(bào),，2006,，10(1)：93-96．

[5] 秦明，許建平,，牟清波．脈沖序Buck變換器的控制規(guī)律及特性[J]．西南交通大學(xué)學(xué)報(bào),，2009,，44(5)：660-666．

[6] 許建平,，牟清波，王金平,，等．脈沖序列控制DCM Buck變換器輸出電壓紋波研究[J]．電機(jī)與控制學(xué)報(bào),，2010，14(5)：1-6．

[7] 張斐,，許建平,，揚(yáng)平，等．兩開關(guān)偽連續(xù)導(dǎo)電模式Buck-Boost功率因數(shù)校正變換器[J]．中國(guó)電機(jī)工程學(xué)報(bào),，2012,，32(9)：56-64．