曹以龍,朱冬冬,吳 丹
(上海電力大學(xué)電子與信息工程學(xué)院,上海 200090)
如今各行各業(yè)均與各式各樣的電源有著密不可分的關(guān)系,不管從事什么行業(yè),如醫(yī)學(xué)、軍事、汽車等,均有著電源技術(shù)的加入[1],電源技術(shù)的成長與國民經(jīng)濟日益密切,傳統(tǒng)的電源主要有模擬電源和數(shù)字電源,隨著數(shù)字芯片的發(fā)展,近年來,數(shù)字電源越加熱門[2]。
目前,常用的電源拓?fù)渲饕猩龎築oost 電路、降壓Buck電路和一些非隔離式降壓-升壓轉(zhuǎn)換器電路。轉(zhuǎn)換器主要分Buck-Boost 轉(zhuǎn)換器、Cuk 轉(zhuǎn)換器、Zeta 轉(zhuǎn)換器 和SEPIC 轉(zhuǎn)換器[3-4]。但是Buck-Boost 轉(zhuǎn)換器和Cuk 轉(zhuǎn)換器的輸入和輸出電壓極性相反,因此難以實現(xiàn)輔助電源和驅(qū)動,并且開關(guān)管的電壓應(yīng)力為輸入和輸出電壓之和[5-6]。Zeta 轉(zhuǎn)換器和SEPIC轉(zhuǎn)換器的輸入和輸出極性相同。但是,有許多無源元件不利于功率密度的提高[7]。它們還具有開關(guān)晶體管的高電壓應(yīng)力問題。與上述常規(guī)降壓-升壓轉(zhuǎn)換器相比,四開關(guān)降壓-升壓轉(zhuǎn)換器(FSBB)具有功率器件的電壓應(yīng)力低、無源元件更少以及輸入和輸出電壓的極性相同的優(yōu)點[8]。
FSBB 變換器的基本結(jié)構(gòu)如圖1 所示。
圖1 FSBB的基本結(jié)構(gòu)
整個系統(tǒng)基本結(jié)構(gòu)是由續(xù)流電感L,開關(guān)管S1、S2、S3、S4以及輸出電容C 組成,Vin為輸入電壓,Vout為輸出電壓。為了方便分析計算,假設(shè)所有器件均可以工作在理論狀態(tài),輸出電容C能夠穩(wěn)定輸出電壓Vout的值,開關(guān)器件均處于理想狀態(tài)。
V1是電感L 的輸入電壓,與開關(guān)管S1 的關(guān)系如式(1):
式中:DS1為開關(guān)管S1 的占空比。L 的輸出電壓V2與輸出電壓關(guān)系為[9]:
式中:DS4為開關(guān)管S4 的占空比。根據(jù)電路穩(wěn)態(tài)工作時,一個開關(guān)周期內(nèi)FSBB 電路的L 電壓的平均值為零,則:V1=V2;聯(lián)立式(1)~(2),得到在Matlab中繪制出M與DS1、DS4的關(guān)系,見圖2。可以看出該電路存在兩個自由度DS1、DS4,通過控制DS1、DS4拓寬變換器的輸出范圍,具有靈活的調(diào)節(jié)性能[11]。
圖2 M與占空比的關(guān)系
FSBB 電路常見的控制方案一般有單模控制、雙??刂埔约叭?刂频萚12]。本文采用常見三模控制,并且在中間升降壓區(qū)間加以改進,在該區(qū)間雙管驅(qū)動,控制原理如圖3所示。
圖3 FSBB控制原理
在圖3 中,DS1和DS4作為四開關(guān)電路的占空比,采用脈沖寬度調(diào)制方式,h是兩個占空比DS1、DS4之間的差值,鋸齒載波的高信號為VH,低信號為VL,VH-VL=1。其中DS1=DS4+h,h<1。
采用三??刂瓶梢越鉀Q四開關(guān)普遍存在的由于占空比的死區(qū)限制導(dǎo)致的輸出電壓不連續(xù)的問題,如圖3 所示,當(dāng)VL 當(dāng)系統(tǒng)閉環(huán)控制只有PI 控制器時,輸出電壓中摻雜了一定含量二倍工頻紋波,降低輸出電壓Vout的二倍工頻紋波分量可以減少輸入電流的畸變率。同時二倍工頻紋波分量的存在也會降低系統(tǒng)的響應(yīng)速度[13]。本文在電壓環(huán)加入功率前饋,加快系統(tǒng)響應(yīng)。系統(tǒng)程序框圖如圖4 所示。 圖4 程序結(jié)構(gòu)圖 圖4 中LPF 為數(shù)字慣性濾波器,用以將輸入輸出電壓與噪聲分離,提高輸入輸出電壓的抗干擾性及信噪比,同時濾除一些諧波,提高分析精度。KP、Ki分別是PI 控制器的比例積分系數(shù),R 作為一個模式選擇器,選擇相對應(yīng)系統(tǒng)的模態(tài)。λ為參考功率反饋系數(shù),加入功率前饋控制,有效地消除輸入到輸出的擾動。 采用該方案設(shè)計的數(shù)字電源具有靈活的動態(tài)輸出性能,由于兩個自由度互不干擾,核心部分是兩個半橋整流電路元件選型。本文采用模塊化設(shè)計的半橋整流電路結(jié)構(gòu)與主電路通過插排連接。半橋整流電路結(jié)構(gòu)如圖5 所示。 圖5 模塊化半橋結(jié)構(gòu)圖 圖5 為一個半橋結(jié)構(gòu)的原理圖和硬件實物圖,為了節(jié)約設(shè)計成本,方便后期維護,采用模塊化插排式設(shè)計,電源的預(yù)設(shè)計輸入電壓為5~15 V,輸出電壓為0~35 V,所以采用的PWM 驅(qū)動芯片為TLP-152 驅(qū)動芯片,兩個黃色繞組線圈原件是自制雙繞組變壓器,通過電源芯片SN6501 輸出±15 V 的電壓給PWM 驅(qū)動芯片TLP-152 供電,所選用的元器件成本低、通用和易獲得。開關(guān)管選型為STB30NF20,其擊穿電壓為200 V,額定電流30 A,具有充足設(shè)計裕度。 根據(jù)理論分析,在實驗室有限的條件下搭建了一個30 W的基于FSBB 數(shù)字電源樣機,樣機桌面實驗見圖6。 圖6 數(shù)字電源實驗圖 實驗電路控制芯片采用TMS28069 型DSP,續(xù)流電感感值為20 μH,輸出電容采用2 個串聯(lián)的330 μF 的電容再并聯(lián),輸入電壓5~15 V,輸出電壓0~30 V,開關(guān)頻率為20 kHz。圖7為半橋模塊驅(qū)動信號測試截圖。 圖7 半橋模塊驅(qū)動信號測試 圖7(a)為開關(guān)頻率20 kHz 下兩個半橋模塊中開關(guān)管S1和S4 的占空比為0.3 和0.7 的驅(qū)動電壓截圖,可以看出驅(qū)動芯片能夠穩(wěn)定輸出驅(qū)動電壓,圖7(b)為實驗中間模態(tài)向升壓模態(tài)過渡階段占空比截圖,可以看出驅(qū)動信號的占空比能夠平穩(wěn)過渡,死區(qū)空間消失。圖8(a)為輸入12 V 時,輸出電壓從10 V 階躍到15 V 時輸入電壓和輸出電壓波形圖,可以看出該數(shù)字電源階躍響應(yīng)大概為20 ms 左右,動態(tài)響應(yīng)好;圖8(b)為輸入電壓12 V 不變時,調(diào)節(jié)輸出電壓從15 V 變?yōu)?0 V,可以看出穩(wěn)定輸出電壓能快速跟隨給定電壓,輸出電壓沒有較大的波動,紋波小。通過多次實驗,發(fā)現(xiàn)負(fù)載值越大,系統(tǒng)效率越高,穩(wěn)定性越好。 圖8 輸出階躍實驗截圖 圖9 為FSBB 電源的效率??梢钥闯鯢SBB 電源的效率都在95.5%以上,具有較高的效率。在升降壓區(qū)間通過調(diào)節(jié)兩個占空比,可以改進三??刂?,降低傳統(tǒng)三模控制時開關(guān)應(yīng)力,減少了開關(guān)的損耗。其在中間模態(tài)效率比傳統(tǒng)三??刂铺岣吡?.15%左右。 圖9 FSBB電源效率 設(shè)計的基于四開關(guān)電路拓?fù)涞臄?shù)字電源的關(guān)鍵部分為兩個采用模塊化設(shè)計的半橋電路。半橋電路用開關(guān)管驅(qū)動,電路設(shè)計簡單,成本低,輸出輸入電壓范圍都很寬,加入前饋控制,輸出電壓紋波小,抗擾動能力好,動態(tài)響應(yīng)快。最終實驗結(jié)果發(fā)現(xiàn)該方案解決了雙??刂茣r的輸出電壓不連續(xù),存在電壓死區(qū)的問題。與其他升降壓變換器相比,本設(shè)計具有較寬范圍的輸出,系統(tǒng)輸出效率高(達到95.5%以上),動態(tài)性能好,多次實驗發(fā)現(xiàn)能夠在50 ms 內(nèi)穩(wěn)定追蹤給定電壓。改進三模控制與傳統(tǒng)三??刂葡啾容^在中間模態(tài)效率提高了0.15%左右,本文設(shè)計的數(shù)字電源具有較好的應(yīng)用前景。2 模塊化半橋整流電路設(shè)計
3 實驗分析
4 結(jié)論