全數(shù)字控制的交錯(cuò)并聯(lián)耦合電感式B00st電路
關(guān)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(hào)處理技術(shù)的發(fā)展，數(shù)字化在各個(gè)領(lǐng)域都得到了空前的發(fā)展，對(duì)電力電子技術(shù)的發(fā)展也起到了巨大的推動(dòng)作用。數(shù)字電路與模擬電路相比，沒有信號(hào)的傳遞畸變或失真，同時(shí)控制和處理非常方便，通過程序的變化就能實(shí)現(xiàn)各種功能，諸如穩(wěn)壓、濾波、保護(hù)等。特別在PWM信號(hào)控制方面，數(shù)字控制更顯示出了它的優(yōu)越性，能同時(shí)控制多路PWM信號(hào)，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(shí)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?fù)?，被廣泛應(yīng)用，但由于電感內(nèi)阻和器件導(dǎo)通電阻的存在，在占空比很大時(shí)，它的放大倍數(shù)反而下降，同時(shí)，在占空比較大時(shí)，電路的電流紋波會(huì)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(shí)，降低了電路的效率。本文介紹了一種交錯(cuò)并聯(lián)耦合電感式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(shí)，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(shí)又能滿足快速瞬態(tài)響應(yīng)的要求，交錯(cuò)并聯(lián)結(jié)構(gòu)是種不錯(cuò)的選擇。圖1是帶同步整流功能的兩相交錯(cuò)并聯(lián)Boost變換器。圖2是該電路的紋波抵消原理圖。
對(duì)于兩相交錯(cuò)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(duì)紋波的抑制效果是最好的。但是，當(dāng)要求Boost電路的升壓倍數(shù)比較大時(shí)，由于此時(shí)的開關(guān)管控制脈沖占空比比較大，遠(yuǎn)離了0．5，交錯(cuò)并聯(lián)結(jié)構(gòu)對(duì)電流紋波的消除作用不大，電路中紋波還是會(huì)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(cuò)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(bǔ)導(dǎo)通。當(dāng)主管導(dǎo)通時(shí)，輸入電源給主電感L1(L3)充電，當(dāng)輔助管導(dǎo)通時(shí)，L1(L3)上儲(chǔ)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(kuò)大放大倍數(shù)。同時(shí)，放大倍數(shù)一定時(shí)，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(jìn)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(shí)間可描述其工作原理，該段時(shí)間為一個(gè)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(chǔ)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(chǔ)能，輸出電容給負(fù)載放電，補(bǔ)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(chǔ)能，輸出電容給負(fù)載放電，補(bǔ)償因上通道減少的電流。
一個(gè)開關(guān)周期工作完成
4 數(shù)字PI環(huán)實(shí)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(shí)，通過對(duì)輸出電壓的AD采樣，在DSP中進(jìn)行PI調(diào)節(jié)后通過對(duì)控制脈沖占空比的調(diào)節(jié)實(shí)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(gè)離散的采樣值，誤差計(jì)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(bǔ)償環(huán)節(jié)為一套PI控制算法，它通過對(duì)誤差量的處理得到一個(gè)比較值，送人DSP的全比較單元，最終輸出各個(gè)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(duì)應(yīng)的時(shí)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(shí)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(jìn)行累加運(yùn)算后就得出了計(jì)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(gè)采樣周期PI環(huán)程序流程圖如圖6所示。
5 實(shí)驗(yàn)結(jié)果
實(shí)驗(yàn)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(cuò)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(shí)，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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