文獻(xiàn)標(biāo)識碼: A
DOI:10.16157/j.issn.0258-7998.2015.08.032
中文引用格式: 史永勝,,高丹陽,劉言新,,等. 數(shù)字控制DC/DC變換器輕載效率的研究[J].電子技術(shù)應(yīng)用,,2015,41(8):113-116.
英文引用格式: Shi Yongsheng,,Gao Danyang,,Liu Yanxin,et al. Research of DC/DC converter based on digital control with high light load efficiency[J].Application of Electronic Technique,,2015,,41(8):113-116.
0 引言
近年來,隨著服務(wù)器電源和個人計算機電源對可靠性和穩(wěn)定性[1-2]的要求,傳統(tǒng)模擬電源不能滿足要求,因其在輕載時效率較低,,往往要增加輔助電路,,增加了控制電路的復(fù)雜性,降低了電源的可靠性和穩(wěn)定性,,效率也隨之減少[3],。因此,數(shù)字控制電源被廣泛應(yīng)用,,其集成度已達(dá)到很高水平,,輕載效率較模擬電源有很大改善和提高[4-5]。
如今,,LLC諧振變換器因其具有自然軟開關(guān)特性,,被作為數(shù)字電源的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)進行了分析與設(shè)計。文獻(xiàn)[6,,7]和文獻(xiàn)[8,,9]分別提出的LLC諧振變換器PWM和PFM控制策略都沒有對輕載模式狀態(tài)進行研究,并未實現(xiàn)真正意義上的高輕載效率,。本文研究的數(shù)字控制諧振變換器如圖1所示,,提出了一種基于DSP控制的Burst模式控制策略,即輕載時使開關(guān)頻率逐漸減小,,開關(guān)周期次數(shù)減少,,開關(guān)損耗減小,從而得到較高效率,。最后,,通過一臺350 W的實驗樣機驗證了所提控制方法的正確性和有效性[7-9]。
1 LLC諧振變換器工作原理
1.1 變換器重載及輕載工作原理
圖1是本文設(shè)計的基于TMS320F2812的高輕載效率的數(shù)字DC/DC變換器的硬件結(jié)構(gòu)圖,。
通常使變換器工作在fr1<f<fr2頻率范圍內(nèi),,通過控制半橋LLC諧振電路中Q1,、Q2的占空比控制能量傳輸,調(diào)節(jié)電壓輸出,。當(dāng)諧振變換器帶重載(20%~100%額定負(fù)載),,由圖2可知iLr和iLm之間能量之差較大,此能量通過T1向副邊傳輸,;當(dāng)諧振變換器帶輕載(20%額定負(fù)載下),,由圖3可知iLr和iLm之間的能量之差相比于帶重載時較小,所以向副邊傳輸?shù)哪芰孔兩?sup>[10-11],,而變換器工作狀態(tài)受直流增益的影響,,影響直流增益的參數(shù)有比例系數(shù)k、串聯(lián)諧振品質(zhì)因數(shù)Q,、變壓器匝比n等[12],。
1.2 采用Burst模式控制原理
圖4是Burst模式的工作原理圖,其中Tburst是變換器進入Burst模式的工作周期,,Ton是兩個主功率開關(guān)管導(dǎo)通時間,,Toff是開關(guān)管關(guān)斷時間。當(dāng)變換器工作于輕載模式下,,主程序進入Burst模式,,并且變換器進入間歇式工作,兩個MOSFET功率開關(guān)管在Toff時都處于關(guān)閉狀態(tài),。隨著負(fù)載進一步減小,,會減小平均開關(guān)頻率,開關(guān)周期次數(shù)減小,,損耗減少,,達(dá)到提高效率的目的。
2 LLC諧振變換器Burst模式控制策略
2.1 硬件設(shè)計策略
系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)如圖1所示,。通過采樣電路以及A/D轉(zhuǎn)換器將3路信號(變壓器初級側(cè)電流Ip,、輸出電流Io以及輸出電壓Uo)采樣并送入DSP2812,INA1,、INA2,、INA3端口分別對Ip、Uo和Io采樣,。DSP內(nèi)部的PWM1,、PWM2端口輸出死區(qū)固定、占空比大小固定的驅(qū)動信號,,通過驅(qū)動電路來驅(qū)動主功率開關(guān)管Q1,、Q2。
本文所設(shè)計的變換器的系統(tǒng)參數(shù)如下:額定輸入電壓Vin=400 V,,額定輸出功率350 W,,輸出電壓24 V,輸出電流15 A,,開關(guān)頻率100 kHz,,變壓器變比41:6,諧振電感Lr=60 μH,,諧振電容Cr=42 nF,,勵磁電感Lm=180 μH。主功率開關(guān)管采用STP12NM50(550 V,,12 A),,驅(qū)動芯片采用UCC27424DGN。
2.2 控制電路設(shè)計策略
本文的DC/DC諧振變換器采用雙環(huán)控制,,如圖5,,輸出電壓U0與電壓基準(zhǔn)值Uref比較產(chǎn)生誤差電壓Uerr,經(jīng)過調(diào)節(jié)器GV形成電壓外環(huán)控制,;變壓器初級側(cè)電流Ip與基準(zhǔn)值電流Iref比較形成誤差電流Ierr,,經(jīng)過調(diào)節(jié)器GC形成電流內(nèi)環(huán)控制;電流內(nèi)環(huán)輸出為有效占空比,,根據(jù)占空比信號產(chǎn)生PWM信號[13-14],。
本文采取增量式PID,即數(shù)字控制器輸出的是相鄰兩次采樣時刻所計算的位置值之差:
本文根據(jù)變換器系統(tǒng)的硬件條件將采樣頻率調(diào)到極限值,,提高系統(tǒng)尤其是在輕載時的控制性能,,運用極點配置的方法整定PID的比例、積分,、微分系數(shù),,使得變換器在輕載時達(dá)到良好的控制效果。由Saber仿真得到整定參數(shù)Kp=0.22,,Ki=1 265,,Kd=0.000 016 2。
2.3 軟件設(shè)計策略
本文分別對主程序,、中斷程序和PID算法程序進行了設(shè)計,,并且整個程序運行良好,基本達(dá)到預(yù)期設(shè)計要求,。如圖6所示,,主程序中首先進行系統(tǒng)配置及初始化,然后初始化ADC,、PWM及PID控制模塊參數(shù),,并且在等待中斷的時間內(nèi)采集輸出電壓,如果發(fā)生ADC中斷則進入相應(yīng)的流程[15-16],。
本設(shè)計中CPU時鐘頻率設(shè)為40 MHz,,ADC模塊每20 ms采樣一次,。數(shù)字PID運算都在ADC中斷調(diào)用執(zhí)行,得到的輸出控制量U(k)經(jīng)限幅后賦給比較單元寄存器(TXCMPR,,X=3,、4)中,即在程序中加入下面語句實現(xiàn)在線調(diào)整PWM波占空比:
T3CMPR=CMAX-Uk,;
T4CMPR=Uk,;
其中CMAX為定時器計數(shù)最大值,Uk為PID控制器第K次輸出,。本設(shè)計在輕載情況下,,采用Burst模式控制改變PWM占空比,隔斷工作周期,,形成無效周期,,使得開關(guān)頻率減小,達(dá)到降低開斷損耗,、提高效率的目的,。
3 實驗與分析
本文為了驗證設(shè)計的合理性,首先利用參數(shù)對電路進行仿真,,仿真實驗以Saber為平臺,,對半橋諧振電路輕載和空載情況進行研究分析。主要實驗參數(shù)設(shè)計如下:諧振電感Lr=60 μH,,諧振電容Cr=42 nF,,勵磁電感Lm=180 μH。變壓器變比n=41:6,,開關(guān)頻率fs=100 kHz,,死區(qū)時間tdead=200 ns。
空載是諧振半橋電路工作時比輕載更惡劣的一種情況,,在此狀態(tài)下,,由圖7波形可知此諧振變換器能夠?qū)崿F(xiàn)ZVS,并且在空載時iLr和iLm之差較穩(wěn)定,,原邊能向副邊穩(wěn)定傳輸能量,,并且輸出電壓基本達(dá)到24 V,說明參數(shù)設(shè)計較合理,,能夠?qū)崿F(xiàn)諧振,,實現(xiàn)軟開關(guān),仿真電路工作正常,。本文設(shè)計了一款額定功率為350 W左右的試驗樣機,。
圖8為Q2零電壓開通時各極間電壓。實驗表明,此半橋諧振變換器能夠在輕載情況下實現(xiàn)原邊開關(guān)管的零電壓開通和副邊二極管的零電流關(guān)斷,,零電壓的開通和零電流的關(guān)斷有效減小了開通關(guān)斷時的損耗,,有助于變換器效率的提高。
圖9將在輕載情況下沒有經(jīng)過Burst模式控制的變換器和經(jīng)過Burst模式控制的變換器作比較,,可以發(fā)現(xiàn),,在低于5%額定負(fù)載的情況下效率達(dá)到87%以上,在5%~20%額定負(fù)載的情況下效率達(dá)到93%以上,,遠(yuǎn)高于不經(jīng)Burst模式控制的變換器的輕載效率。原因在于數(shù)字控制的LLC諧振變換器在輕載時也能夠?qū)崿F(xiàn)軟開關(guān)技術(shù),,而且不存在PWM變換器中二極管中的反向恢復(fù)電流問題,,所以二極管的耐壓降低,極大地降低了開關(guān)管的開斷損耗,。
4 結(jié)論
本文對諧振變換器輕載效率進行了研究,,提出了一種基于DSP的數(shù)字控制策略,能夠有效控制開關(guān)管的占空比,,使開關(guān)頻率逐漸減小,,開關(guān)周期次數(shù)減少,開關(guān)損耗減小,,從而在輕載時得到較高效率,。仿真和實驗結(jié)果表明,輕載情況下該Burst模式控制下的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)簡單易控,,大大降低了開斷損耗,,能夠較好地實現(xiàn)零電壓開通,可以被廣泛用在機站電源和特種電源中等,,具有很好的應(yīng)用前景,。
參考文獻(xiàn)
[1] PAWELLEK A,OEDER C,,DUERBAUM T.Comprison of resonant LLC and LCC converters for low-profile applications[C].IEEE,,ECCE,2011:1-10.
[2] 張久慶,,高田,,景占榮.基于LLC諧振的LED驅(qū)動電源設(shè)計[J].電力電子技術(shù),2012,,46(3):9-11.
[3] DEMIREL I,,ERKEMEN B.A very low-profile dual out-put LLC resonant converter for LCD/LED tv applications[J].IEEE,Trans.on Power Electron.,,2014,,29(7):3514-3524.
[4] Yang Bo.Topology investigation for front end DC/DC power conversion for distributed power system[D].Blacksburg,Virginia,,2003.
[5] 余昌斌.LLC諧振半橋DC-DC變換器的研究[D].重慶:重慶大學(xué).2007.
[6] BUCCELLA C,,CECATI C.Digital control of a haif-bridge LLC resonant converter[C].IEEE,,ECCE,2012:LS6a.4-6-4-7.
[7] Yu Wensong,,Lai Jih-Sheng.Hybrid resonant and PWM converter with high efficiency and full soft-switching range[J].IEEE,,Trans.on Power Electron.,2012,,27(12):4925-4933.
[8] 周國華,,許建平.開關(guān)變換器調(diào)制與控制技術(shù)綜述[J].中國電機工程學(xué)報,2014,,34(6):815-837.
[9] 陳亞愛,,張衛(wèi)平.開關(guān)變換器控制技術(shù)綜述[J].電氣應(yīng)用,2008,,27(4):5-9.
[10] 阮新波,,嚴(yán)仰光.脈寬調(diào)制DC/DC全橋變換器的軟開關(guān)技術(shù)[M].北京:科學(xué)出版社,1999.
[11] KIM Y D,,CHO K M,,KIM D Y,et al.Wide-range ZVS phase-shift full-bridge converter with reduced conduction loss caused by circulating current[J].IEEE,,Trans.on Power Electron.,,2013,28(7):3308-3316.
[12] KIM B C,,PARK K B,,MOON G W.Asymmetric PWM control scheme during hold up time for LLC resonant converter[J].IEEE,Trans.on Power Electron.,,2012,,59(7):2992-2997.
[13] BELRANVAND R,ZOL-GHADRI M R.Optimizing the LLC-LC resonant converter topology for wide output-volt-age and wide-output-load applications[J].IEEE,,Trans.on Power Electron.,,2011,26(11):3192-3204.
[14] 唐明明.基于DSP的LLC諧振變換器的研制[D].長沙:中南大學(xué),,2009.
[15] CHO I H,,KIM Y D,MOON G W.A half-bridge LLC resonant converter adopting Boost PWM control scheme for hold-up[J].IEEE,Trans.on Power Electron.,,2014,,29(2):841-850.
[16] 程林,陳新,,蔣真.基于TMS320F28335的改進型單周期控制實現(xiàn)[J].電力電子技,,2011,45(12):107-108,122.