电压注入单周期控制的Buck变换器及其控制方法与流程

本发明涉及电力变换器控制领域，具体而言涉及一种电压注入单周期控制的Buck变换器以及基于Buck变换器的电压注入单周期控制方法。

背景技术：

DC/DC变换器发展的趋势是变换器效率越来越高、功率密度越来越大、动态负载性能要求越来越严格。特别是在低压大电流应用场合，如何设计满足要求的电源是电力电子领域面临的一大挑战，其主电路拓扑和控制方法的研究已成为电力电子领域研究的热点之一。

单周控制技术是一种脉冲状的非线性控制技术，其基本思想是：控制功率开关管开通时间或者关断时间，在每个开关周期内，使功率开关变换器的开关变量平均值在稳态或者暂态严格等于控制参考或者与控制参考成比例。这种技术利用了开关变换器的脉冲特性和非线性特性，实现斩波电压或电流平均值的即时控制，具有响应速度快，鲁棒性好，电源抗干扰抑制能力强等特点，但对负载扰动的抑制能力较差。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种电压注入单周期控制的Buck变换器，以及基于Buck变换器的电压注入单周期控制方法，不仅继承单周期控制抗输入扰动强的优势，还能有效抑制负载扰动。

实现本发明目的的技术解决方案为：一种电压注入单周期控制的Buck变换器，包括Buck变换器主功率电路、单周期控制电路、输出电压采样调理电路。

所述Buck变换器主功率电路包括直流电压源V_in、开关管Q、电感L、二极管D、输出滤波电容C、负载R_L，所述直流电压源V_in的正极与开关管Q的漏极连接，开关管Q的源极分别与二极管D的阴极和电感L的一端连接，电感L的另 一端分别与输出滤波电容C的阳极和负载R_L连接，直流电压源V_in的负极和输出滤波电容C的阴极和负载R_L的另一端均连接到参考电位零点。

所述单周期控制电路包括驱动器D_R、比较器CMP、可复位积分器、RS触发器、时钟发生器CLK、加法器、采样增益模块-K_d，单周期控制电路的输入端与Buck变换器主功率电路中的二极管D的阴极连接，二极管D的阴极的电压V_d经采样增益模块-K_d后与加法器连接，加法器的输出端与可复位积分器的反相端连接，可复位积分器的同相端连接到参考电位零点，可复位积分器的输出端与比较器CMP的同相端连接，输出基准电压V_ref与比较器CMP的反相端连接，比较器CMP的输出端与RS触发器的R端连接，RS触发器的S端与时钟发生器CLK连接，RS触发器的Q’端与可复位积分器的复位开关S₁连接，RS触发器的Q端与驱动器D_R连接，驱动器的输出端与Buck变换器主功率电路中开关管Q的栅极连接。

所述输出电压采样调理电路包括电阻R_f1、电阻R_f2、阻抗Z₁、阻抗Z₂、运算放大器，输出电压采样调理电路的输入端与Buck变换器主功率电路中负载R_L的电压V_o连接，V_o与电阻R_f1连接，电阻R_f1的另一端分别与电阻R_f2和阻抗Z₁连接，电阻R_f2的另一端与参考电位零点连接，阻抗Z₁的另一端与运算放大器的反相端连接，输出电压基准值V_ref与运算放大器的同相端连接，阻抗Z₂跨界于运算放大器的反相端和输出端，运算放大器的输出端与单周期控制电路中的加法器连接。

根据本发明的改进，还提出一种基于Buck变换器的电压注入单周期控制方法，包括：

所述输出电压采样调理电路采样Buck变换器主功率电路中的负载电压V_o，负载电压V_o由电阻R_f1和R_f2分压后与输出基准电压V_ref比较后再经过补偿得到的补偿电压u_e，补偿电压u_e与Buck变换器主功率电路中二极管D的电压采集信号u_d求和后得到可复位积分器输入信号u_s，可复位积分器输出电压积分信号u_int达到输出基准电压V_ref，比较器CMP的输出信号变为高电平，使RS触发器复位，其Q端输出低电平，经过驱动器D_R后得到驱动信号Q_R关断Buck变换器主功率电 路中的开关管Q，同时RS触发器的Q’端输出高电平，使可复位积分器的复位开关S₁闭合，将电压积分信号u_int复位为0，直至时钟发生器CLK发出下一个时钟脉冲。

所述单周期控制电路中可复位积分器输入信号u_s为二极管电压采样信号u_d与输出电压补偿信号u_e之和。

本发明与现有技术相比，本发明的显著优点为：闭环动态响应快，减小元件非理想性带来的稳态误差，能够在单个周期内响应输入电压扰动和负载扰动，具有良好的鲁棒性，较好的拟制电源扰动和较强的抗负载扰动能力。

应当理解，前述构思以及在下面更加详细地描述的额外构思的所有组合只要在这样的构思不相互矛盾的情况下都可以被视为本公开的发明主题的一部分。另外，所要求保护的主题的所有组合都被视为本公开的发明主题的一部分。

结合附图从下面的描述中可以更加全面地理解本发明教导的前述和其他方面、实施例和特征。本发明的其他附加方面例如示例性实施方式的特征和/或有益效果将在下面的描述中显见，或通过根据本发明教导的具体实施方式的实践中得知。

附图说明

附图不意在按比例绘制。在附图中，在各个图中示出的每个相同或近似相同的组成部分可以用相同的标号表示。为了清晰起见，在每个图中，并非每个组成部分均被标记。现在，将通过例子并参考附图来描述本发明的各个方面的实施例，其中：

图1是本发明的电压注入单周期控制的Buck变换器的电路示意图。

图2是本发明的基于Buck变换器的电压注入单周期控制方法的工作波形图。

图中：V_in-输入直流电压，V_o-负载电压，u_e-补偿电压，u_s-积分器输入电压，u_int-积分器输出电压，Q_R-开关管控制信号。

具体实施方式

为了更了解本发明的技术内容，特举具体实施例并配合所附图式说明如下。

在本公开中参照附图来描述本发明的各方面，附图中示出了许多说明的实施例。本公开的实施例不必定意在包括本发明的所有方面。应当理解，上面介绍的多种构思和实施例，以及下面更加详细地描述的那些构思和实施方式可以以很多方式中任意一种来实施，这是因为本发明所公开的构思和实施例并不限于任何实施方式。另外，本发明公开的一些方面可以单独使用，或者与本发明公开的其他方面的任何适当组合来使用。

本发明提出的电压注入单周期控制的Buck变换器的示意图如图1所示，包括Buck变换器主功率电路1、单周期控制电路2、输出电压采样调理电路3。

所述Buck变换器主功率电路1包括直流电压源V_in、开关管Q、电感L、二极管D、输出滤波电容C、负载R_L，所述直流电压源V_in的正极与开关管Q的漏极连接，开关管Q的源极分别与二极管D的阴极和电感L的一端连接，电感L的另一端分别与输出滤波电容C的阳极和负载R_L连接，直流电压源V_in的负极和输出滤波电容C的阴极和负载R_L的另一端均连接到参考电位零点。

所述单周期控制电路2包括驱动器D_R、比较器CMP、可复位积分器、RS触发器、时钟发生器CLK、加法器、采样增益模块-K_d，单周期控制电路2的输入端与Buck变换器主功率电路1中的二极管D的阴极连接，二极管D的阴极的电压V_d经采样增益模块-K_d后与加法器连接，加法器的输出端与可复位积分器的反相端连接，可复位积分器的同相端连接到参考电位零点，可复位积分器的输出端与比较器CMP的同相端连接，输出基准电压V_ref与比较器CMP的反相端连接，比较器CMP的输出端与RS触发器的R端连接，RS触发器的S端与时钟发生器CLK连接，RS触发器的Q’端与可复位积分器的复位开关S₁连接，RS触发器的Q端与驱动器D_R连接，驱动器的输出端与Buck变换器主功率电路1中开关管Q的栅极连接。

所述输出电压采样调理电路3包括电阻R_f1、电阻R_f2、阻抗Z₁、阻抗Z₂、运算放大器，输出电压采样调理电路3的输入端与Buck变换器主功率电路1中负 载R_L的电压V_o连接，V_o与电阻R_f1连接，电阻R_f1的另一端分别与电阻R_f2和阻抗Z₁连接，电阻R_f2的另一端与参考电位零点连接，阻抗Z₁的另一端与运算放大器的反相端连接，输出电压基准值V_ref与运算放大器的同相端连接，阻抗Z₂跨界于运算放大器的反相端和输出端，运算放大器的输出端与单周期控制电路2中的加法器连接。

基于图1的电压注入单周期控制的Buck变换器，本发明还公开提出一种基于Buck变换器的电压注入单周期控制方法，包括下述过程：

所述输出电压采样调理电路3采样Buck变换器主功率电路1中的负载电压V_o，负载电压V_o由电阻R_f1和R_f2分压后与输出基准电压V_ref比较后再经过补偿得到的补偿电压u_e，补偿电压u_e与Buck变换器主功率电路1中二极管D的电压采集信号u_d求和后得到可复位积分器输入信号u_s，可复位积分器输出电压积分信号u_int达到输出基准电压V_ref，比较器CMP的输出信号变为高电平，使RS触发器复位，其Q端输出低电平，经过驱动器D_R后得到驱动信号Q_R关断Buck变换器主功率电路中的开关管Q，同时RS触发器的Q’端输出高电平，使可复位积分器的复位开关S₁闭合，将电压积分信号u_int复位为0，直至时钟发生器CLK发出下一个时钟脉冲。

再进一步的例子中，所述单周期控制电路2中可复位积分器输入信号u_s为二极管电压采样信号u_d与输出电压补偿信号u_e之和。

图2给出了基于Buck变换器的电压注入单周期控制方法的工作波形。从工作波形上看，t₁时刻，输入电压V_in受到扰动，积分器输入电压u_s增大，积分器复位时间缩短，开关管控制信号Q_R的占空比减小；t₂时刻，负载电压V_o受到扰动，积分器输入电压u_s受反相补偿电压u_e影响，积分器复位时间增大，开关管控制信号Q_R的占空比增大。由上可知，通过采用本发明的控制方法，能在单个周期内同时响应输入电压扰动和负载扰动，动态响应快，具有良好的鲁棒性。

本发明针对传统单周期控制无法有效抑制负载扰动的特性，设计出一种基于Buck变换器的电压注入单周期控制方法，该方法可以在在单个周期 内响应输入电压扰动和负载扰动，动态响应快，具有良好的鲁棒性，较好的拟制电源扰动和较强的抗负载扰动能力，具有重要的实际应用价值。

虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，然其并非用以限定本发明。本发明所属技术领域中具有通常知识者，在不脱离本发明的精神和范围内，当可作各种的更动与润饰。因此，本发明的保护范围当视权利要求书所界定者为准。