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全數(shù)字控制的交錯并聯(lián)耦合電感式B00st電路

作者: 時間:2006-08-07 來源:網(wǎng)絡(luò) 收藏
摘要:在并聯(lián)Boost變換器中,當變換比高時,由于占空比較大,電流紋波會比較大,從而影響變換效率。介紹了一種的方法調(diào)整的占空比,減小電流紋波。同時,采用了基于DSP的全.提高了的性能。
關(guān)鍵詞;電流紋波;PI;DSP

O 引言
隨著信號處理技術(shù)的發(fā)展,數(shù)字化在各個領(lǐng)域都得到了空前的發(fā)展,對電力電子技術(shù)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(zhuǎn)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(yīng)用,但由于內(nèi)阻和器件導(dǎo)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(yīng)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。本文介紹了一種并聯(lián)電感式Boost電路,有效地提高了放大倍數(shù),調(diào)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(yīng)的要求,并聯(lián)結(jié)構(gòu)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(guān)管控制脈沖占空比比較大,遠離了0.5,交錯并聯(lián)結(jié)構(gòu)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(guān)鍵是如何調(diào)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(diào)整了開關(guān)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(dǎo)通。當主管導(dǎo)通時,輸入電源給主電感L1(L3)充電,當輔助管導(dǎo)通時,L1(L3)上儲存的能量轉(zhuǎn)換到L2(L4)上給輸出放電?,F(xiàn)在推導(dǎo)電路的輸入輸出關(guān)系,根據(jù)電感的伏秒平衡特性有

因此,通過調(diào)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(diào)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(guān)周期Ts。

to~t1:開關(guān)管S2、S4導(dǎo)通,主管S1、S2關(guān)斷,電感L1(L3)中儲存的能量轉(zhuǎn)移到L2(L4),并與輸入Vb串聯(lián)給輸出電容充電。
t1~t2:S4關(guān)斷,S3導(dǎo)通,S2保持導(dǎo)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(guān)斷,S4保持導(dǎo)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(guān)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(diào)節(jié)后通過對控制脈沖占空比的調(diào)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(jīng)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(shè)定的參考值相減,得到PI調(diào)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(guān)管的控制脈沖。

根據(jù)控制原理,Pl環(huán)節(jié)傳遞函數(shù)為

其對應(yīng)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(shè)定好參數(shù)后,根據(jù)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(jié)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(jù)式(2),PI環(huán)穩(wěn)定在,D=0.4。

圖7為上通道開關(guān)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(jié)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(diào)節(jié),控制開關(guān)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。

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