鄭峰，姚巽，馬艷峰，王江平

(蘭州供電公司，甘肅 蘭州 730050)

1 引言

“綠色照明［1］”概念是由美國環(huán)保局(EPA)1991年1月首先提出，實(shí)施宗旨在于保護(hù)環(huán)境、節(jié)約能源、提高照明質(zhì)量。我國于1996年正式實(shí)施“綠色照明工程”，電子鎮(zhèn)流器取代電感鎮(zhèn)流器已經(jīng)成為綠色照明工程中的一項(xiàng)緊迫任務(wù)。為了減少供電波動(dòng)對照明質(zhì)量和燈的壽命的影響，采用合適的控制策略可以較好的提高燈的工作質(zhì)量和壽命。目前有多種閉環(huán)控制技術(shù)可以用來改善鎮(zhèn)流器功率因數(shù)，減小鎮(zhèn)流器所產(chǎn)生的諧波對電網(wǎng)的污染，各個(gè)控制方式由于所涉及的方法不同，電路結(jié)構(gòu)也各不相同。多重化技術(shù)是將多個(gè)方波進(jìn)行疊加，消除低次諧波，得到階梯型正弦波。功率因數(shù)校正器是在二極管不可控整流橋和濾波電容之間加上一級斬波式的功率變換電路用于功率因數(shù)校正的功率變換電路。矩陣變換器具有的雙向結(jié)構(gòu)，四象限運(yùn)行易于實(shí)現(xiàn)，并實(shí)現(xiàn)能量的雙向流動(dòng)。這些工作方式有復(fù)雜的工作電路結(jié)構(gòu)，成本較大，日常生活中較少使用。

2 單周期控制技術(shù)原理分析

單周期控制［2］是一種用于功率變換器的新型非線性PWM控制技術(shù)，是一種不需要乘法器的新穎功率因數(shù)校正(Power Factor Correction，簡稱PFC)控制方法，它將非線性開關(guān)變?yōu)榫€性開關(guān)，廣泛使用于開關(guān)變換器的控制技術(shù)。其工作電路簡單，功率因數(shù)達(dá)0.99。當(dāng)輸入電壓發(fā)生擾動(dòng)或負(fù)載快速變化時(shí)，采用單周期控制的功率變換器能在單周內(nèi)實(shí)現(xiàn)控制目標(biāo)，大大改善了變換器的動(dòng)態(tài)性能?；竟ぷ鲌D如圖1所示:一個(gè)PI調(diào)解器、一個(gè)積分復(fù)位器、一個(gè)比較器、一個(gè)RS觸發(fā)器、一個(gè)時(shí)鐘信號發(fā)生器和一個(gè)驅(qū)動(dòng)放大器。

圖1 單周期控制原理圖

開關(guān)頻率f高于輸入信號X(t)和控制信號Vref(t)的帶寬頻率，在開關(guān)頻率單周期中可以認(rèn)為輸入信號X(t)不變，得到的開關(guān)的輸出信號為:

在非線性量中，假設(shè)調(diào)制開關(guān)的占空比使每個(gè)周期開關(guān)輸出端斬波波形的積分值恰好等于控制信號的積分值，即:

在每個(gè)周期開關(guān)輸出端斬波波形的平均值等于控制信號的平均值，即

在開關(guān)頻率f一個(gè)周期內(nèi)，輸出信號能及時(shí)被控制。

這時(shí)開關(guān)的有效輸出信號為:

通過開關(guān)抑制后輸入信號和線性化后控制信號Vref(t)，單周期控制技術(shù)就由原來的復(fù)雜的非線性問題轉(zhuǎn)變?yōu)榫€性問題。

3 單周期控制在Boost電路中的應(yīng)用

單周期控制Boost電路工作原理圖［3］如圖2。單周期控制Boost電路工作原理分析:

導(dǎo)通時(shí)間:Ton=δTs=t1;關(guān)斷時(shí)間:Toff=(1－δ)Ts=t2－t1

設(shè)定:

當(dāng)電網(wǎng)提供的電流與電網(wǎng)電壓同頻同相位，即可實(shí)現(xiàn)了功率因數(shù)校正的目的。如果在每一個(gè)開關(guān)周期中，將式(6)帶入式(7)且對兩邊進(jìn)行積分，積分時(shí)間常數(shù)為開關(guān)周期，得到:

工作過程如下:輸出電壓V0的取樣值和基準(zhǔn)電壓Vref比較后的差值經(jīng)過PI調(diào)解器得到Vm，(加PI調(diào)解器是為了得到一個(gè)穩(wěn)定的輸出電壓V0)。當(dāng)時(shí)鐘脈沖到來時(shí)，RS觸發(fā)器Q端被置位高電平，主回路開關(guān)管S導(dǎo)通，電壓Vg加到電感L兩端，電感電流開始線性上升，電感儲(chǔ)存能量;Q端此時(shí)為此時(shí)為低電平，積分器對誤差輸入信號Vm進(jìn)行積分;同時(shí)Vm與RsiL通過減法器相減，其差值和積分器的輸出:

圖2 單周期控制原理圖

進(jìn)行比較，當(dāng)積分器的輸出值達(dá)到Vm與RsiL的差值時(shí)，比較器輸出為高電平使RS觸發(fā)器復(fù)位，Q端輸出低電平，主回路開關(guān)管S關(guān)斷，同時(shí)Q端此時(shí)為高電平，積分器復(fù)位，同時(shí)電感L電流線性下降，電感向負(fù)載和輸出電容釋放能量，這種狀態(tài)一直持續(xù)到下一個(gè)時(shí)鐘脈沖的上升沿到來再重復(fù)上一周期的過程，實(shí)現(xiàn)了電網(wǎng)輸出電流和電壓同相位，且為正弦波。

一個(gè)開關(guān)周期中，在主電路開關(guān)S的導(dǎo)通時(shí)間內(nèi)，等式左邊的下降斜率為Mc;同時(shí)輸入電壓直接加到電感L兩端，電感電流線性上升，電感電流等于輸入電流，上升斜率為:

當(dāng)開關(guān)管S關(guān)斷時(shí)，積分器復(fù)位，電感放電，電感電流線性下降，下降斜率為:

在穩(wěn)態(tài)時(shí)，占空比dn+1與前一周期的占空比dn相關(guān)，和電流控制模式相類似，當(dāng)M2＞Mc時(shí)，會(huì)出現(xiàn)不穩(wěn)定，在占空比出現(xiàn)擾動(dòng)，為了保證上式中占空比這個(gè)功能函數(shù)收斂，應(yīng)使:

所以系統(tǒng)保持穩(wěn)定的條件為:

根據(jù)單周期Boost電路工作原理及原理圖1，搭建電路仿真主結(jié)構(gòu)模型，建立單周期控制電路的Boost主電路的MATLAB仿真，如圖3所示。

圖3 單周期控制器仿真模型

4 電子鎮(zhèn)流器仿真［4，5］

根據(jù)電子鎮(zhèn)流器的特點(diǎn)，以Boost電路MATLAB仿真模型為基礎(chǔ)，設(shè)計(jì)電子鎮(zhèn)流器MATLAB仿真模型，如圖4所示。

圖4 電子鎮(zhèn)流器MATLAB仿真模型

圖5 諧振燈負(fù)載與晶體管電壓、電流波形

根據(jù)電子鎮(zhèn)流器工作原理當(dāng)電路發(fā)生LC諧振時(shí)，C11在熒光燈兩端形成高壓，點(diǎn)亮燈負(fù)載，當(dāng)燈負(fù)載被點(diǎn)亮后，LC諧振電路失諧，燈進(jìn)入正常工作狀態(tài)。通過MATLAB仿真，可以觀察出晶體管和燈負(fù)載(此時(shí)電流主要通過C11)電流較小且均在晶體管允許流過電流范圍內(nèi)，如圖5所示。當(dāng)逆變電路發(fā)生諧振，電容C5、C6基本沒有影響，所以在逆變電路發(fā)生諧振時(shí)，單周期控制的BOOST電路動(dòng)態(tài)過程沒有任何突變。當(dāng)電子鎮(zhèn)流器正常工作狀態(tài)下，通過電路仿真表明，交流輸入電流能良好跟隨交流輸入電壓，功率因數(shù)較高，仿真結(jié)果如圖6所示。

圖6 仿真輸出電壓、電流

5 結(jié)束語

本文通過仿真論證了采用單周期控制技術(shù)的開關(guān)變換器能在每個(gè)開關(guān)周期抑制輸入電壓波動(dòng)并且平均輸入電流能快速跟蹤控制參考量，且不受負(fù)載電流的約束，即使負(fù)載電流有很大的諧波也不會(huì)使輸入電流發(fā)生畸變。實(shí)際中的開關(guān)、晶體管和二極管都不是理想器件，而且積分器動(dòng)態(tài)響應(yīng)速度慢，因此單周期控制的精確性還存在一定的偏差。但綜合各方面考慮，單周期控制技術(shù)是一種很有發(fā)展前景的控制策略。

［1］蘭天一.綠色照明是改善生態(tài)環(huán)境的重要措施［J］.中國能源，2000:32－34.

［2］張厚升.基于單周期控制的高功率因數(shù)整流器的研究［J］.全國優(yōu)秀論文，2005.

［3］曹廣華，胡宗波，張波.單周期控制BoostPFC變換器［J］.電力電子技術(shù)，2005.

［4］卓書芳，林國慶.電子鎮(zhèn)流器設(shè)計(jì)的幾個(gè)關(guān)鍵問題［J］.電子世界，2005.

［5］Lai Z，Smedley K，Ma Y.Time Quality One Cycle Control for Power Factor Correction.IEEE Trans.On Power Elect.March，1997，12(2):369 －375.