单周期控制在新型交流斩波照明节电器中的仿真研究

　　0　前言

　　调压型照明节电器的应用十分普遍[1-2],其基本原理为提供一个比额定电压略低的供电电压,可以降低照明灯具的功率,同时延长灯具的使用寿命,降低维护成本。目前多数节电器通过自耦变压器或采用多抽头的方式实现调压,体积大、效率低、精度低、可靠性差、不具备稳压性能。相控整流方式可以实现无极调节、体积小、效率高,但功率因数低、谐波污染严重。

　　交流斩波技术是以全控型电力电子器件、Pulse-W idthModulation (PWM)控制技术为核心的新型调压技术,具有效率高、功率因数高、响应快等突出优点,已经越来越多地应用于照明节电装置中。按主电路方式可分为Buck、Boost、Buck-boost型,因为用于照明节电的原理为适当降低工作电压,所以普遍采用Buck型。

　　传统的单相交流斩波电路采用4个开关管串联方式[3-4],按控制类型分为互补型和非互补型两种。互补型控制波形好,但是电压、电流冲击大,需要设计缓冲电路;非互补型控制又分为有电流检测和无电流检测两种[5],有电流检测波形好,但控制稍复杂,无电流检测控制简单,但感性负载时存在失控时间,导致波形差,有低次谐波。

　　单周期控制技术是20世纪90年代由美国加州理工学院的Keyue Ma, Smedley提出的新型控制技术[6-7],具有不需乘法器,反应快、开关频率恒定、鲁棒性强、易于实现、抗电源干扰、控制电路简单等优点,是目前针对PWM电路的常用非线性控制方法。

　　作者提出一种新型交流斩波电路,主电路采用3个开关管,可以简化控制,减小开关损耗,同时不存在失控时间[4]。控制方式采用单周期控制,具有快速的动态响应和高抗干扰能力,并通过仿真验证了本方案的可行性。

　　1　交流斩波技术原理

　　图1为单相交流斩波主电路原理示意图,在理想斩波方式下,斩波开关S1、S2和续流开关S3、S4交替工作,每个开关周期分为斩波导通和续流导通阶段,输出电压

　　从上式可以看出,改变占空比D可以改变基波幅值,且呈线性关系,同时输出电压uo除基波外只含有斩波器开关频率的高次谐波,容易滤除。当开关频率足够高时,只要引入较小尺寸的输入、输出滤波器,可将输入电流、输出电压中的谐波基本滤除,同时不改变系统的功率因数。因此相对于变压器和相控方式的节电器,采用交流斩波技术的照明节电器可以减小装置体积,提高功率因数。

　　2　单周期控制技术

　　如图2所示为单周期控制典型电路图[6]。单周期控制技术的基本思想是:在每个开关周期Ts内,使输入变量vg的平均值vs与控制参考信号vref相等或成一定比例,从而消除稳态和暂态误差。即满足如下关系式: