摘要：单周期控制技术（OCC）是一种新型非线性大信号PWM 控制技术。首先论述了单周期控制技术的基本原理，然后提出了单周期控制Boost 变换器的一种双环控制策略，并通过仿真分析了其可行性，最后应用最新的单周期控制芯片IR1150S进行实验论证。实验证明了这种控制策略下单周期控制Boost 变换器具有良好的性能。
关键词：单周期控制；Boost变换器；IR1150S
Abstract: One-Cycle-Control (OCC) is a novel nonlinear large signal PWM control technique. The theory of OCC is discussed, then, a dual-loop control method of one cycle controlled boost converters is proposed and its feasibility is analyzesed by simulation. Lastly, the method is verified by an experimental circuit based on OCC IC IR1150S. The experiment shows that the converter features high performance.
0 引言
开关变换器是脉冲式的非线性动态系统，在适当的脉冲非线性控制下，系统应当比传统的先行反馈控制更稳定，有更好的动态性能和抗扰动性。当输入电压或负载发生变化时，电压型反馈控制需要多个开关周期才能达到稳态。电流型反馈控制利用了变换器的脉冲和非线性特点，当占空比D大于0.5 时，若采用的斜坡补偿很精确，能使系统在一个开关周期内达到稳态，但是往往实际中斜坡补偿不能完全匹配，所以仍然需要多个开关周期才能达到稳态[1]。
单周期控制技术[2][3] 是1991 年由Keyue M.Smedley 提出的一种非线性大信号PWM 控制理论，它最大的特点是能使系谝桓鲋芷谥诖锏轿?lt;sup>[4]，每个周期的开关误差不会带入下一个周期。这种控制方法具有调制和控制的双重性，开关变量和参考电压间既没有动态误差也没有稳态误差。因此，单周期控制技术近年在各种DC/DC[1]-[5]、DC/AC[6]、AC/DC[7]-[9]变换器中来得到了广泛的应用。
1 单周期控制基本原理
单周期控制技术，包括恒频PWM 开关、恒定导通时间开关、恒定截止时间开关、变化开关的单周期控制技术共4 种类型。对于恒频PWM开关，开关周期TS恒定，单周期控制就是要调节导通时间TON，从而使得斩波波形的积分值等于基准信号。恒频PWM开关单周期控制原理，如图1 所示。
（a） 实现电路 （b） 原理波形
图1 恒频PWM开关单周期控制原理
图1 恒频PWM开关单周期控制原理
设开关S 以一定开关频率fS=1/TS的开关函数k(t)工作，即：
占空比D=TON/TS由模拟基准信号ur (t)调制。开关的输入信号x(t)被开关斩波，开关的输出信号y(t)的频率、脉宽与开关函数k(t)相同，y(t)的包络线就是x（t），即y（t）=k（t）x（t）。
开关S 一旦由固定频率的时钟脉冲开通，实时积分器就开始工作，设定时间常数RC 等于时钟uC周期时间TS，其积分值为
当积分值ue 达到基准信号ur（t）时，RS 触发器就复位，S 变为截止状态，实时积分器复位，以准备下一个开关周期。当前开关周期的占空比由式（3）决定，即
开关输出y（t）的平均值为
因此，在一个开关周期里可以瞬时地控制输出信号。按照这种概念控制开关的技术称为单周期控制技术，单周期控制技术将非线性开关变为线性开关，是一种非线性技术。
文献[5]提出了Boost电路的单周期控制策略，如图2 所示。在稳态情况下，当开关管导通时，二极管上电压vD 为Uo，当开关关断时，二极管上压降为零，所以可以通过控制二极管上的电压，使其在一个周期内的平均值等于参考值，从而改变占空比，即
由于二极管电压的电压参考点是A，所以Boost电路的单周期控制规则为
图2 单周期控制Boost 电路原理图
2 单周期控制Boost 变换器的双环控制
在文献[5]和[7]的基础上，本文研究了单周期控制Boost变换器的一种双环控制策略。首先，从Boost变换器的工作原理着手分析，图3 为Boost变换器及电感电流波形图，为了方便讨论，假设所有的元件都是理想的，同时负载电流足够大，电感电流连续，输出电压在一个开关周期内为常数。
（a） Boost 变换器原理图 （b） Boost 电感电流波形
图3 Boost变换器
图3 Boost变换器
稳态时，根据在一个周期内电感电流变化量相等，也即电感伏秒积相等的原则，有
化简得
假设输入等效电阻为Re，则输入电流i 可表示为
将式（8）代入式（7）中则得到单周期控制Boost 电路的控制方程，即
式中：Rs为电感电流检测电阻；
Um为调制电压，
如图3（a）所示。 式（9）可以通过图4（a）的复位积分电路来实现。其中
时间常数RC1等于RS 触发器时钟Clock 的周期时间TS。图4（b）为占空比D的示意图，当U-减小到U+时，积分结束。
时间常数RC1等于RS 触发器时钟Clock 的周期时间TS。图4（b）为占空比D的示意图，当U-减小到U+时，积分结束。
（a） 复位积分电路 （b） 占空比示意图
图4 复位积分电路及占空比示意图
图4 复位积分电路及占空比示意图
3 仿真分析
根据前面的论述，可以构建出双环单周期控制Boost电路，如图5 所示。为了验证其可行性以及更加明确系统各模块之间的关系，本文采用Saber 软件进行了仿真分析，仿真参数如下：
输入电压国Ui=110V；
开关频率国fs=100kHz；
输出电压国Uo=300V；
输出功率国Po=300W。
图5 单周期控制Boost变换器原理图
图6为仿真结果，图6（a）为比较器输入端电压U-、U+以及输出RS 触发器复位脉冲信号R 的局部展开波形；图6（b）为RS 触发器PWM信号产生波形；图6（c）为输出电压Uo 以及电感电流波形。
（a） 比较器输入输出波形
（b） PWM信号
（c） 输出电压、输入电流波形
图6 仿真波形
图6 仿真波形
仿真结果表明，双环单周期控制策略是可行的，复位积分电路各模块之间能按设计的逻辑工作，输出电压稳定在300V。
4 实验验证
4.1 实验样机设计
图5 中虚线框中的控制电路可以用新型芯片IR1150S[12]来实现，如图7所示。IR1150S是一种工作于连续模式的基于单周期控制技术的控制芯片，具有过压保护、欠压保护、空载保护、峰值电流控制以及软启动功能。该芯片只有8个引脚，采用SO-8 封装，有很强的驱动能力，最大驱动电流达到1.5A，频率设定只需通过一个电阻R2 来调节，整个控制系统十分简单。
本文应用该芯片设计了一台原理样机，实验主要参数为：输入电压80~250V，Boost电感780μH，工作频率f=100kHz，输出电压Uo=300V，过压保护电压360 V，额定功率300W，采样电阻0.1 赘，输出滤波电容330μF/450V。
图7 基于IR1150S 的Boost 变换器
4.2 实验结果及分析
从图8和图9可以看出，随着输入电压增加，占空比逐渐减小，输入电流减小，检测电阻端电压（负压）也减小，从而误差放大器的输出Um也减小。图10 和图11 表明，随着输入电压的增加，输出电压稳定在300V。
t（2.5 μs/div） t（2.5 μs/div）
图8 300W/110V 输入 图9 300W/220V 输入
图8 300W/110V 输入 图9 300W/220V 输入
t（2.5 μs/div） t（2.5 μs/div）
图10 300W/110V 输入 图11 300W/220V 输入
图12 是该变换器的空载损耗曲线图，可以看出，随着输入电压的增加，输入电流减小，损耗逐渐减小，当输入电压达到180V后，损耗基本稳定在0.51W。
图12 空载损耗曲线 图13 输入电压-效率曲线
随着输入电压的增加，系统的效率逐渐增加，主要是由于输入电流的减小，系统的损耗有所减小。满载情况下，输入电压为220V时效率最高，达到了97.9%。
5 结语
本文介绍了单周期控制技术的基本原理，研究了单周期控制Boost 变换器的一种双环控制方案，应用仿真分析证实了其可行性，并应用基于单周期控制技术的芯片IR1150S 设计制作了一台实验样机。实验证明，采用这种控制方案的Boost 变换器工作稳定，整机效率高，系统具有良好的性能。
参考文献
[1] Hu Zongbo, Zhang Bo, Deng Weihua. Feasibility Study on One Cycle Control for PWM Switched Converters[A]. 35th Annual IEEE Power Electronics Specialists Conference, Aachen Germany 2004.
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[3] Smedley K M, Cuk S. One-cycle Control of Switching Converters[A]. Power Electronics Specialists Conference
Record,22nd Annual IEEE, 1991,888-896.
[4] Smedley K M, Cuk S. Dynamics of One-cycle Controlled Cuk Converter [J]. IEEE Transactions on Power
Electronics, 1995,10 (6):634-639.
[5] Santi Enrico, Cuk Slobodam. Modeling of One-cycle Controlled Switching Converters[A]. Conference of IEEE
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[6] Lai Zheren, Smedley Keyue M. A New Extension of One -cycle Control and Its Application to Switching Power Amplifiers [J]. IEEE Transactions on Power Electronics, 1996,11(1)：99-105.
[7] Lai Zheren, Smedley Keyue M. A Family of Continuous Conduction Mode Power Factor Correction Controllers
Based on the General Pulse Width Modulator [J]. IEEE Transactions Power Electronics, 1998, 13(3): 501-510.
[8] Qiao Chongming , Smedley Keyue M. A General Threephase PFC Controller for Rectifier with a Parallel
Connected Dual Boost Topology [J].IEEE Transactions Power Electronics, 2002,17(6):925-934.
[9] Zhou Luowei, Smedley Keyue M. Unified Constant Frequency Integration Control of Active Power Filters [A]. IEEE Applied Power Electronics Conference [C].New Orleans, 2000, 406-412.
[10] International Rectifier Corp. IR1150S Data Sheet[Z].International Rectifier Corp. 2005,
作者简介
朱国锋（1983-），男，硕士研究生，研究方向为功率电子变换技术。
龚春英（1965-），女，教授，博士生导师，研究方向为航空二次电源变换技术，电力电子高频变换技术，电能质量控制技术等。
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