反激變換器的原邊非線性電流控制方法

摘要：反激變換器是LED驅動的常用拓撲，為了降低成本，減小光耦對于LED電源可靠性的影響，提高系統的控制性能，同時避免線性控制方式在啟動時的輸出過沖造成LED損壞，提出了一種通過控制原邊電流間接控制輸出恒流的非線性控制策略。根據無源性控制理論建立了反激變換器的歐拉-拉格朗日模型，驗證了系統的無源性，獲得反激變換器原副邊電流關系，然后基于無源性理論和Lavapunov穩定性理論，推導出系統的無源性控制規律。這里所提出的控制方法結構簡單，成本低，可靠性高，控制性能良好。實驗結果驗證了該控制方法的正確性，采用原邊非線性電流控制方法的反激變換器具有穩定的輸出電流，恒流精度高，啟動無過沖并且具有良好的動態響應。
關鍵詞：反激變換器；原邊電流控制；無源性；非線性控制

0 引言
LED是一種節能環保，壽命長的光源，在照明領域的應用日益廣泛。反激變換器由于具有原副邊隔離，結構簡單等優點，成為了LED驅動的首選拓撲結構。傳統的反激變換器采用光耦隔離的方式進行反饋控制，然而光耦反饋系統結構復雜，成本高；并且由于光耦的CTR會隨著時間不斷衰減，降低了LED驅動的可靠性。因此，反激變換器的原邊反饋控制方法引起了廣泛的關注。目前常用的控制方式是通過對輔助繞組的控制間接實現輸出恒流控制，但由于輔助繞組與副邊輸出繞組存在漏感等雜散因素，不能真實反映輸出情況，并且一般采用線性PID補償，系統的魯棒性及控制性能較差。
文獻提出了通過控制原邊峰值電流實現輸出恒流的控制方式，這種方式易于實現，但是當輸入或負載發生變化時，難以實現輸出電流的精確控制。并且在啟動過程中，輸出容易產生過沖而造成LED損壞。文獻提出了通過對輔助繞組信號進行觀測，控制輸出電流的方式，這種方式控制結構復雜，并且由于輔助繞組不能真實反映輸出狀況，因此也難以實現輸出電流的精確控制。
非線性控制策略能夠極大地提高開關變換器的控制性能，其中基于能量耗散理論的無源性控制策略能通過控制系統能量特性從而從本質上滿足功率開關變換器的控制特性，獲得精確而良好的輸出特性，并憑借其優秀的控制性能得到廣泛關注和應用。因此本文基于無源性控制策略，針對LED驅動負載為恒壓源的特點，提出了一種新型的反激變換器的恒流控制策略，通過控制反激變換器原邊電流間接控制輸出電流，實現副邊的精確恒流控制。實驗結果表明此控制方式的控制精度高，系統魯棒性強，輸出啟動無過沖。

1 反激變換器的數學模型
1．1 反激變換器的功率模型
反激變換器的電路結構如圖1所示。其中：T為匝比為n：1的反激變壓器，Lm為變壓器原邊激磁電感；Q為原邊開關管；D為副邊整流二極管；C為輸出濾波電容，Vg為輸入電壓；R為輸出負載，Vo為輸出電壓。

為了獲得反激式變換器的無源性控制策略，首先需要建立反激式變換器的歐拉-拉格朗日功率模型。由于PWM變換器的平均狀態模型與歐拉-拉格朗日模型是一致的。因此對于電流連續型反激變換器，其歐拉-拉格朗日功率模型為：

歐拉-拉格朗日方程實際上是一個動力學的能量平衡方程式。方程的右側為系統外部的能量，左側為系統內部能量之和。式中：D為正定的對角陣；J為反對稱矩陣，J=-JT，反映了系統內部的互聯結構；R為對稱正定矩陣，反映了系統的耗散特性；d為占空比。各個矩陣的具體表達式為：