全數(shù)字控制的交錯并聯(lián)耦合電感式B00st電路
關鍵詞:耦合電感;電流紋波;數(shù)字PI;DSP
O 引言
隨著數(shù)字信號處理技術的發(fā)展,數(shù)字化在各個領域都得到了空前的發(fā)展,對電力電子技術的發(fā)展也起到了巨大的推動作用。數(shù)字電路與模擬電路相比,沒有信號的傳遞畸變或失真,同時控制和處理非常方便,通過程序的變化就能實現(xiàn)各種功能,諸如穩(wěn)壓、濾波、保護等。特別在PWM信號控制方面,數(shù)字控制更顯示出了它的優(yōu)越性,能同時控制多路PWM信號,在不增加硬件電路的情況下利用模數(shù)轉換器(ADC)功能能實現(xiàn)各種反饋控制,典型的有數(shù)字PI環(huán)控制。
Boost電路作為最簡單的升壓拓撲,被廣泛應用,但由于電感內阻和器件導通電阻的存在,在占空比很大時,它的放大倍數(shù)反而下降,同時,在占空比較大時,電路的電流紋波會比較大,在要求瞬態(tài)響應性能不變的情況下,濾波電容要求比較大,降低了電路的功率密度,同時,降低了電路的效率。本文介紹了一種交錯并聯(lián)耦合電感式Boost電路,有效地提高了放大倍數(shù),調節(jié)了占空比,減小了電流紋波,同時,全數(shù)字控制的引入穩(wěn)定了輸出,提高了電路的性能。該變換器控制芯片采用F2407ADSP。
1 電流紋波抑制
為了減小電路的電流紋波,同時又能滿足快速瞬態(tài)響應的要求,交錯并聯(lián)結構是種不錯的選擇。圖1是帶同步整流功能的兩相交錯并聯(lián)Boost變換器。圖2是該電路的紋波抵消原理圖。
對于兩相交錯并聯(lián)的Boost變換器,總的輸入電流紋波△IL為
式中:L為每路電感;
m為不大于2D的整數(shù)
可見,占空比在O.5附近對紋波的抑制效果是最好的。但是,當要求Boost電路的升壓倍數(shù)比較大時,由于此時的開關管控制脈沖占空比比較大,遠離了0.5,交錯并聯(lián)結構對電流紋波的消除作用不大,電路中紋波還是會比較大。
2 耦合電感式Boost電路
解決以上問題的關鍵是如何調節(jié)電路的占空比,為此,本文中引入了耦合電感,通過耦合電感匝比的作用,增加了電路的放大倍數(shù),調整了開關管的占空比。
交錯并聯(lián)耦合電感式Boost電路如圖3所示。圖3中,S2(S4)做為同步整流管與主管S1(S2)互補導通。當主管導通時,輸入電源給主電感L1(L3)充電,當輔助管導通時,L1(L3)上儲存的能量轉換到L2(L4)上給輸出放電?,F(xiàn)在推導電路的輸入輸出關系,根據電感的伏秒平衡特性有
因此,通過調節(jié)n就能擴大放大倍數(shù)。同時,放大倍數(shù)一定時,n的調節(jié)可以使占空比,D處在O.5附近,有利于電流紋波的消除。
3 工作原理分析
下面進行電路的穩(wěn)態(tài)分析,電壓、電流方向如圖3所示,變換器工作波形如圖4所示,to一t4時間可描述其工作原理,該段時間為一個開關周期Ts。
to~t1:開關管S2、S4導通,主管S1、S2關斷,電感L1(L3)中儲存的能量轉移到L2(L4),并與輸入Vb串聯(lián)給輸出電容充電。
t1~t2:S4關斷,S3導通,S2保持導通,上通道繼續(xù)輸出能量,下通道電源給L3儲能,輸出電容給負載放電,補償因下通道減少的電流。
t2~t3:與to~t1階段相同。
t3~t4:S1開通,S2關斷,S4保持導通,下通道繼續(xù)輸出能量,上通道電源給L1儲能,輸出電容給負載放電,補償因上通道減少的電流。
一個開關周期工作完成
4 數(shù)字PI環(huán)實現(xiàn)
本文變換器的控制脈沖輸出都采用數(shù)字方式,由F2407A DSP控制輸出。同時,通過對輸出電壓的AD采樣,在DSP中進行PI調節(jié)后通過對控制脈沖占空比的調節(jié)實現(xiàn)輸出的穩(wěn)壓。其基本控制框圖如圖5所示。
圖5中,AD采樣環(huán)節(jié)把主電路輸出電壓經DSP采樣后離散化,形成一個離散的采樣值,誤差計算環(huán)節(jié)把得到的采樣值和設定的參考值相減,得到PI調節(jié)所需的誤差量。Pl補償環(huán)節(jié)為一套PI控制算法,它通過對誤差量的處理得到一個比較值,送人DSP的全比較單元,最終輸出各個開關管的控制脈沖。
根據控制原理,Pl環(huán)節(jié)傳遞函數(shù)為
其對應的時域方程式為
離散化后得
式中:e(k)為誤差輸入;
Ko為比例系數(shù);
Ki為積分環(huán)節(jié)系數(shù)(Ki=Kp/Ti);
Ti為積分時間常數(shù);
Ts為采樣周期。
這就是位置式PI控制
在DSP中,設定好參數(shù)后,根據式(5),進行累加運算后就得出了計算控制脈沖占空比用的比較值U(K)。最后把U(K)值放入DSP的全比較單元寄存器,完成控制脈沖輸出。DSP一個采樣周期PI環(huán)程序流程圖如圖6所示。
5 實驗結果
實驗中采用V=2.4 V,Vn=8.8 V,耦合電感匝比n=4,控制芯片采用TI公司的F2407A DSP,工作頻率為50 kHz,電壓采樣采用霍爾傳感器LV28一P。根據式(2),PI環(huán)穩(wěn)定在,D=0.4。
圖7為上通道開關管S1.和S2漏源間的波形vds1和vds2圖8為耦合電感兩端(反向)波形一VL1和一VL2。
6 結語
本文提出了一種交錯并聯(lián)耦合電感Boost電路,它通過耦合電感的匝比調節(jié),控制開關管的占空比在O.5附近,有效地減小了電流紋波,提高了效率。同時,數(shù)字PI環(huán)節(jié)的引入,起到了很好的穩(wěn)壓和抗干擾的作用,簡化了硬件,方便了控制,提高了電路的性能。