全数字控制的交错并联耦合电感式B00st电路

2007-03-09 19:03:27来源: 互联网
摘要:在交错并联Boost变换器中,当变换比高时,由于电路占空比较大,电流纹波会比较大,从而影响变换效率。介绍了一种耦合电感的方法调整电路的占空比,减小电流纹波。同时,采用了基于DSP的全数字控制.提高了电路的性能。 关键词:耦合电感;电流纹波;数字PI;DSP O 引言 随着数字信号处理技术的发展,数字化在各个领域都得到了空前的发展,对电力电子技术的发展也起到了巨大的推动作用。数字电路与模拟电路相比,没有信号的传递畸变或失真,同时控制和处理非常方便,通过程序的变化就能实现各种功能,诸如稳压、滤波、保护等。特别在PWM信号控制方面,数字控制更显示出了它的优越性,能同时控制多路PWM信号,在不增加硬件电路的情况下利用模数转换器(ADC)功能能实现各种反馈控制,典型的有数字PI环控制。 Boost电路作为最简单的升压拓扑,被广泛应用,但由于电感内阻和器件导通电阻的存在,在占空比很大时,它的放大倍数反而下降,同时,在占空比较大时,电路的电流纹波会比较大,在要求瞬态响应性能不变的情况下,滤波电容要求比较大,降低了电路的功率密度,同时,降低了电路的效率。本文介绍了一种交错并联耦合电感式Boost电路,有效地提高了放大倍数,调节了占空比,减小了电流纹波,同时,全数字控制的引入稳定了输出,提高了电路的性能。该变换器控制芯片采用F2407ADSP。 1 电流纹波抑制 为了减小电路的电流纹波,同时又能满足快速瞬态响应的要求,交错并联结构是种不错的选择。图1是带同步整流功能的两相交错并联Boost变换器。图2是该电路的纹波抵消原理图。 对于两相交错并联的Boost变换器,总的输入电流纹波△IL为 式中:L为每路电感; m为不大于2D的整数 可见,占空比在O.5附近对纹波的抑制效果是最好的。但是,当要求Boost电路的升压倍数比较大时,由于此时的开关管控制脉冲占空比比较大,远离了0.5,交错并联结构对电流纹波的消除作用不大,电路中纹波还是会比较大。 2 耦合电感式Boost电路 解决以上问题的关键是如何调节电路的占空比,为此,本文中引入了耦合电感,通过耦合电感匝比的作用,增加了电路的放大倍数,调整了开关管的占空比。 交错并联耦合电感式Boost电路如图3所示。图3中,S2(S4)做为同步整流管与主管S1(S2)互补导通。当主管导通时,输入电源给主电感L1(L3)充电,当辅助管导通时,L1(L3)上储存的能量转换到L2(L4)上给输出放电。现在推导电路的输入输出关系,根据电感的伏秒平衡特性有 因此,通过调节n就能扩大放大倍数。同时,放大倍数一定时,n的调节可以使占空比,D处在O.5附近,有利于电流纹波的消除。 3 工作原理分析 下面进行电路的稳态分析,电压、电流方向如图3所示,变换器工作波形如图4所示,to一t4时间可描述其工作原理,该段时间为一个开关周期Ts。 to~t1:开关管S2、S4导通,主管S1、S2关断,电感L1(L3)中储存的能量转移到L2(L4),并与输入Vb串联给输出电容充电。 t1~t2:S4关断,S3导通,S2保持导通,上通道继续输出能量,下通道电源给L3储能,输出电容给负载放电,补偿因下通道减少的电流。 t2~t3:与to~t1阶段相同。 t3~t4:S1开通,S2关断,S4保持导通,下通道继续输出能量,上通道电源给L1储能,输出电容给负载放电,补偿因上通道减少的电流。 一个开关周期工作完成 4 数字PI环实现 本文变换器的控制脉冲输出都采用数字方式,由F2407A DSP控制输出。同时,通过对输出电压的AD采样,在DSP中进行PI调节后通过对控制脉冲占空比的调节实现输出的稳压。其基本控制框图如图5所示。 图5中,AD采样环节把主电路输出电压经DSP采样后离散化,形成一个离散的采样值,误差计算环节把得到的采样值和设定的参考值相减,得到PI调节所需的误差量。Pl补偿环节为一套PI控制算法,它通过对误差量的处理得到一个比较值,送人DSP的全比较单元,最终输出各个开关管的控制脉冲。 根据控制原理,Pl环节传递函数为 其对应的时域方程式为 离散化后得 式中:e(k)为误差输入; Ko为比例系数; Ki为积分环节系数(Ki=Kp/Ti); Ti为积分时间常数; Ts为采样周期。 这就是位置式PI控制 在DSP中,设定好参数后,根据式(5),进行累加运算后就得出了计算控制脉冲占空比用的比较值U(K)。最后把U(K)值放入DSP的全比较单元寄存器,完成控制脉冲输出。DSP一个采样周期PI环程序流程图如图6所示。 5 实验结果 实验中采用V=2.4 V,Vn=8.8 V,耦合电感匝比n=4,控制芯片采用TI公司的F2407A DSP,工作频率为50 kHz,电压采样采用霍尔传感器LV28一P。根据式(2),PI环稳定在,D=0.4。 图7为上通道开关管S1.和S2漏源间的波形vds1和vds2图8为耦合电感两端(反向)波形一VL1和一VL2。 6 结语 本文提出了一种交错并联耦合电感Boost电路,它通过耦合电感的匝比调节,控制开关管的占空比在O.5附近,有效地减小了电流纹波,提高了效率。同时,数字PI环节的引入,起到了很好的稳压和抗干扰的作用,简化了硬件,方便了控制,提高了电路的性能。
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