Boost型DC／DC變換器的預測無差拍控制器設計

摘要：為了提升電流模式控制下Boost DC／DC變換器的動態響應速度，采用電流預測和無差拍控制理論對控制器進行設計。給出了線性外插的預測方法和無差拍控制策略，分析了電壓環路小信號模型并設計了其控制器。采用前緣調制的預測無差拍峰值電流模式控制，電感電流可以在兩個周期內調整到參考量；當占空比超過0．5時，變換器不存在次諧波振蕩問題，省去了斜率補償設計。實驗結果表明，與經典電流模式控制器相比，預測無差拍控制器在控制電壓上跳變2 V時，能夠縮短約22．6％的調節時間；在控制電壓下跳變2 V時，能夠縮短約9．4％的調節時間。
關鍵詞：控制器；電流模式；預測電流控制；無差拍控制

1 引言
Boost DC／DC變換器的控制問題一直是國內外學術界的研究熱點。由于受控對象傳輸函數的非線性和時變性，傳統的控制方法有時不能達到預期效果，故需尋找適合Boost DC／DC變換器的先進控制理論，這包括：模型預測控制、滑模變結構控制、預測電流控制等。
此處采用無差拍控制思想，結合線性外插的預測方法，對Boost DC／DC變換器的電流環進行優化設計，該設計簡單可靠，對系統參數不敏感，便于數字方式實現。仿真和實驗結果表明，優化后的變換器具有良好的靜、動態性能。

2 電流模式控制BOOSt DC／DC變換器
Boost DC／DC變換器是一種能夠實現升壓的開關電源。電流模式控制通過對電感電流的控制，提升了環路響應速度。對于理想的電流模式控制，環路傳輸函數已經不包括電感了，因此也就不再有LC雙重極點，這就簡化了電壓環的補償設計。電流模式控制方式中，峰值電流模式以其具有快速的限流作用而得到廣泛應用，因此后面的討論均基于峰值電流模式。經典的電流模式控制是將電感電流用作脈沖寬度調制器(PWM器)的斜波輸入，如圖1所示。

其中，d是占空比，V是開關，VD是二極管，i是電感電流，ic是控制電流。反饋電壓通過PI控制器產生ic，與經過斜率補償的i相比較，進行PWM。經典的峰值電流模式控制存在次諧波振蕩的問題，這可通過斜率補償解決。要保證補償后的上升斜率大于下降斜率，因此補償斜率為：

經典電流控制需要采樣到連續的電感電流，不便于控制器的數字方式實現；此外，斜率補償會增加控制電流與電感電流之間的誤差，從而降低變換器的動態性能。

3 電流環的預測無差拍控制設計
預測無差拍控制作為一種離散控制理論，是指通過已知狀態信息計算出下一時刻控制量，并在數個時鐘周期內讓目標達到控制量的一類控制方法。由于占空比的計算需使用下個周期的電流和電壓狀態信息，所以必須對它們進行預測。