基于DSP的脈沖序列控制偽連續(xù)模式DC-DC變換器研究

岳　誠(chéng)，秦　明，王要強(qiáng)

（鄭州大學(xué)電氣工程學(xué)院，河南鄭州450001）

基于DSP的脈沖序列控制偽連續(xù)模式DC-DC變換器研究

岳誠(chéng)，秦明，王要強(qiáng)

（鄭州大學(xué)電氣工程學(xué)院，河南鄭州450001）

脈沖序列控制技術(shù)PT（Pulse Train）應(yīng)用于電感電流斷續(xù)工作模式DCM（Discontinuous Conduction mode）DC-DC變換器時(shí)特性?xún)?yōu)良，但應(yīng)用于連續(xù)工作模式CCM（Continuous Conduction Mode）變換器時(shí)會(huì)出現(xiàn)控制問(wèn)題，因此PT控制變換器帶負(fù)載能力不足。針對(duì)這一突出問(wèn)題，研究一種新型的PT控制偽連續(xù)工作模式PCCM（Pseudo-Continuous Conduction Mode）變換器，將PT控制技術(shù)與新型電路拓?fù)湎嘟Y(jié)合，有效提高了變換器的帶載能力。介紹PT控制PCCM變換器的工作原理，運(yùn)用Matlab軟件得出了仿真工作波形，設(shè)計(jì)了基于DSP的硬件電路，并得出實(shí)驗(yàn)波形，進(jìn)一步證明了相關(guān)結(jié)論。

脈沖序列；電感電流偽連續(xù)；DC-DC變換器

0　前言

近年來(lái)，隨著高性能直流電焊機(jī)技術(shù)的快速發(fā)展，一些新穎的直流電源控制策略和拓?fù)浼夹g(shù)不斷被研究和推廣[1-3]。脈沖序列控制PT（Pulse Train）是其中一種直流開(kāi)關(guān)電源非線(xiàn)性控制技術(shù)，其基本原理是在開(kāi)關(guān)周期起始時(shí)刻將采樣到的DC-DC變換器輸出電壓U0與給定的基準(zhǔn)電壓Uref作一次比較，若U0>Uref，則控制器輸出一個(gè)占空比較小的低能脈沖驅(qū)動(dòng)變換器中的可控開(kāi)關(guān)管，反之則輸出一個(gè)占空比較大的高能脈沖。PT控制Buck變換器如圖1所示。相比于傳統(tǒng)的PWM控制，PT控制電路更加簡(jiǎn)單可靠，系統(tǒng)瞬態(tài)響應(yīng)能力和魯棒性更好[4-7]。

傳統(tǒng)的直流DC-DC變換器一般工作于電感電流連續(xù)CCM（Continuous Conduction Mode）或電感電流斷續(xù)DCM（Discontinuous Conduction Mode）這兩種導(dǎo)電模式。在DCM工作模式下，變換器輸出功率受限于電感電流的包絡(luò)面積，一般僅適用于小功率應(yīng)用場(chǎng)合；在CCM模式之下，PT控制DC-DC變換器會(huì)出現(xiàn)低頻振蕩現(xiàn)象，破壞變換器的穩(wěn)態(tài)輸出特性，同時(shí)瞬態(tài)響應(yīng)速度較慢，因此，此前對(duì)PT控制變換器的研究和應(yīng)用主要集中于DCM模式[8-11]。鑒于PT控制運(yùn)用于傳統(tǒng)DC-DC變換器時(shí)的局限性，對(duì)其進(jìn)行了一些改進(jìn)，研究了一種新型的脈沖序列控制電感電流偽連續(xù)導(dǎo)電模式PCCM（Pseudo Continuous Conduction Mode）Buck變換器。PT控制PCCM變換器在繼承DCM變換器技術(shù)優(yōu)勢(shì)的基礎(chǔ)上，工作范圍得到了擴(kuò)展，為PT控制策略應(yīng)用于大功率場(chǎng)合提供一種較理想的解決方案。

介紹PT控制PCCM變換器的基本原理和工作過(guò)程，進(jìn)行仿真研究和基于DSP的硬件設(shè)計(jì)，獲得實(shí)驗(yàn)結(jié)果。PT控制DCM Buck變換器結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1　PT控制DCM Buck變換器結(jié)構(gòu)Fig.1Structure of PT controlled DCM Buck converter

1　PT控制PCCM開(kāi)關(guān)變換器基本原理及工作過(guò)程

PCCM模式變換器與傳統(tǒng)的DCM或CCM模式變換器在電路結(jié)構(gòu)上有所不同，即在直流斬波電路的基礎(chǔ)上，在電感兩端并聯(lián)一個(gè)續(xù)電流開(kāi)關(guān)管S2。續(xù)電流開(kāi)關(guān)管在開(kāi)關(guān)周期內(nèi)適時(shí)導(dǎo)通，此時(shí)電感被短接，電感電流將在電感和續(xù)流開(kāi)關(guān)管組成的小回路內(nèi)接近無(wú)損耗的流動(dòng)，即電感電流在續(xù)電流階段基本保持不變，直至下一個(gè)開(kāi)關(guān)周期到來(lái)。PCCM模式Buck變換器的電路結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2　PT控制PCCM Buck變換器結(jié)構(gòu)Fig.2Structure of PT controlled PCCM Buck converter

PCCM模式開(kāi)關(guān)變換器在一個(gè)開(kāi)關(guān)周期TS內(nèi)分為T(mén)S1、TS2、TS3三個(gè)工作階段，如圖3所示。

圖3　PCCM Buck變換器電感電流波形Fig.3InductorcurrentwaveformofPCCMBuckconverter

（1）TS1階段：主開(kāi)關(guān)管S1導(dǎo)通，續(xù)流開(kāi)關(guān)管S2和二極管VD關(guān)斷，電感電流上升。

（2）TS2階段：S1和S2關(guān)斷，VD導(dǎo)通，電感電流下降，但與DCM模式不同的是電感電流不會(huì)下降到零。

（3）TS3階段：S1和VD關(guān)斷，S2導(dǎo)通，電感被短接，電流將在S2與電感組成的回路里流動(dòng)，保持TS3階段起始的電流值，直到下一個(gè)開(kāi)關(guān)周期開(kāi)始，其中TS1+TS2+TS3=TS，TS恒定不變。

可見(jiàn)，這種新型模式開(kāi)關(guān)變換器的電感電流波形連續(xù)，但其工作過(guò)程更接近于DCM模式。與DCM變換器相比，由于電感電流裕值大于零，PCCM變換器在同等工作條件下，一個(gè)開(kāi)關(guān)周期內(nèi)能夠傳遞更多的能量，因此更適用于功率較大的應(yīng)用場(chǎng)合。

在主開(kāi)關(guān)管S1動(dòng)作周期TS1，采用與電壓型脈沖序列控制相同的控制策略，在此設(shè)高能脈沖PH與低能脈沖PL占空比分別為DPH和DPL，其中1>DPH> DPL>0；脈沖序列控制PCCM變換器的工作過(guò)程為：在開(kāi)關(guān)周期TS起始階段采集變換器輸出電壓U0與預(yù)先設(shè)定的基準(zhǔn)電壓Uref進(jìn)行比較，若U0

圖4　PT控制PCCM Buck變換器的脈沖規(guī)律Fig.4Pulse control law of PT controlled PCCM Buck converter

穩(wěn)態(tài)工作時(shí)，控制器將產(chǎn)生一系列由PH和PL組成的循環(huán)脈沖序列，以及相應(yīng)的續(xù)電流開(kāi)關(guān)管S2控制脈沖，通過(guò)這些脈沖組合來(lái)維持輸出電壓穩(wěn)定。設(shè)一個(gè)循環(huán)周期內(nèi)PH與PL的數(shù)量比為μ，由于PH作用于開(kāi)關(guān)周期內(nèi)，負(fù)載端從電源端獲取能量較PL作用時(shí)更多，所以負(fù)載較大時(shí)，μ值較大，反之較小，控制器以此來(lái)調(diào)節(jié)變換器的能量傳遞。

2　PT控制PCCMBuck變換器Matlab仿真分析

本研究利用Matlab仿真軟件Simscape模塊，搭建邏輯數(shù)字電路對(duì)PT控制PCCM Buck變換器進(jìn)行仿真。仿真參數(shù)為：輸入電壓Uin=15V；輸出電壓U0=5 V；開(kāi)關(guān)周期TS=50 μs；負(fù)載電阻R=8 Ω；電感L=100 μH；電容C=470 μF；PH占空比DPH=0.3；PL占空比DPL=0.1；基準(zhǔn)電流Iref=0.5 A。得出的變換器工作波形如圖5所示，圖中波形從上到下依次為：電感電流IL，輸出電壓U0，S1控制脈沖UP1，S2控制脈沖UP2。由圖5可知，變換器輸出電壓穩(wěn)定于基準(zhǔn)電壓附近，此時(shí)一個(gè)PH脈沖和一個(gè)PL脈沖組成脈沖序列，即μ=1。

圖5　PT控制PCCM Buck變換器工作波形（R=8 Ω）Fig.5Waveform of PT controlled PCCM Buck converter（R=8 Ω）

在相同的電路參數(shù)下，PT控制DCM變換器的工作波形如圖6所示，從上到下依次為：電感電流波形IL，輸出電壓U0，主管S1控制脈沖波形UP。對(duì)比圖5和圖6可知，在相同負(fù)載條件下，DCM變換器輸出電壓已經(jīng)低于基準(zhǔn)電壓，控制脈沖全為高能脈沖PH時(shí)仍不能使變換器穩(wěn)定工作，此時(shí)μ=∞。

圖6　PT控制DCM Buck變換器工作波形（R=8 Ω）Fig.6Waveform of PT controlled DCM Buck converter（R=8 Ω）

當(dāng)其他參數(shù)不變，負(fù)載電阻分別為20 Ω和6 Ω時(shí)，PCCM變換器的工作波形如圖7、圖8所示。對(duì)比分析圖7和圖8波形可知，PCCM工作模式在負(fù)載電阻較大或較小時(shí)仍然能正常工作，具有較寬的工作范圍；且在負(fù)載較重（即R較?。r(shí)，高能脈沖PH與低能脈沖PL數(shù)量之比μ值較大，符合預(yù)期理論分析。

3　基于DSP的PCCM變換器硬件設(shè)計(jì)

設(shè)計(jì)基于TMSF28335型高速DSP的PT控制PCCM模式Buck變換器實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，將硬件設(shè)計(jì)與程序設(shè)計(jì)相結(jié)合實(shí)現(xiàn)相關(guān)控制原理和工作過(guò)程。程序設(shè)計(jì)方面主要以CC Studio v3.3為軟件設(shè)計(jì)平臺(tái)，采用C語(yǔ)言和匯編語(yǔ)言為基礎(chǔ)進(jìn)行編程；硬件方面主要是運(yùn)用光耦、模擬比較器、運(yùn)算放大器等設(shè)計(jì)電路變量的采樣電路以及DC-DC變換器開(kāi)關(guān)管的驅(qū)動(dòng)電路[12-13]。

圖7　PT控制PCCM Buck變換器工作波形（R=20 Ω）Fig.7Waveform of PT controlled PCCM Buck converter（R=20 Ω）

圖8　PT控制PCCM Buck變換器工作波形（R=6 Ω）Fig.8Waveform of PT controlled PCCM Buck converter（R=6 Ω）

硬件設(shè)計(jì)基本結(jié)構(gòu)如圖9所示，圖中IL0是通過(guò)電流傳感器采集得到的一個(gè)新的電流波形，與真實(shí)的電感電流波形變化規(guī)律一致，從而能夠送給DSP進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換。將變換器輸出電壓U0經(jīng)過(guò)A/D調(diào)理電路（主要作用為保護(hù)A/D轉(zhuǎn)換芯片）處理之后送入DSP的A/D轉(zhuǎn)換輸入接口進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換；通過(guò)電流傳感器將原電路與A/D調(diào)理電路隔離，并將IL轉(zhuǎn)化為IL0送給A/D調(diào)理電路，最終轉(zhuǎn)換成DSP允許接入的電壓信號(hào)（0～3.3 V），送給DSP的A/D轉(zhuǎn)換端口，轉(zhuǎn)化為數(shù)字值。DSP輸出的控制脈沖則通過(guò)光耦（6N317，HP3120）與主電路隔離，確?？刂齐娐放c主電路相互不干擾，并實(shí)施對(duì)開(kāi)關(guān)管的驅(qū)動(dòng)。

圖9　硬件設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)Fig.9Structure diagram of hardware design

程序流程框圖如圖10所示，運(yùn)用無(wú)限for循環(huán)語(yǔ)句產(chǎn)生固定的開(kāi)關(guān)周期TS，在一次循環(huán)內(nèi)將一個(gè)開(kāi)關(guān)周期分為T(mén)S1、TS2和TS3三個(gè)階段。首先定時(shí)器輸出開(kāi)始脈沖，TS1階段開(kāi)始，控制器對(duì)采樣得到的DC-DC變換器輸出電壓U0進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換，將轉(zhuǎn)換所得的數(shù)字量M存于寄存器中，調(diào)取M與基準(zhǔn)電壓Uref轉(zhuǎn)換所得的預(yù)設(shè)數(shù)字量Mref進(jìn)行比較，若M

4　實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

硬件采用與圖5相同的參數(shù)，得到的波形如圖11和圖12所示，分別為主管S1控制脈沖UP1，電感電流IL，輸出電壓U0和輸出紋波Ur的波形。

圖11中波形從上到下分別為控制脈沖UP1和電感電流IL波形。由圖11可知，當(dāng)輸出功率為3.125 W時(shí)，高能脈沖與低能脈沖個(gè)數(shù)之比為1；由圖12可知，輸出電壓為U0=5 V，紋波Ur=100 mV，與仿真基本一致，證明該方案切實(shí)可行。

5　結(jié)論

研究PT控制PCCM變換器，介紹其基本原理和工作過(guò)程，進(jìn)行了仿真分析，以及基于DSP的硬件設(shè)計(jì)和實(shí)驗(yàn)研究。PT控制PCCM變換器工作穩(wěn)定，帶負(fù)載能力相比于DCM變換器有顯著提高，電源系統(tǒng)性能得到有效改善。

圖10　程序流程Fig.10Flow chart of program

圖11　PT控制PCCM Buck變換器控制脈沖和電感電流波形Fig.11Control pulse and inductor current of PT controlled PCCM Buck converter

圖12　PT控制PCCM Buck變換器輸出電壓和紋波Fig.12Output voltage and voltage ripple of PT controlled PCCM Buck converter

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Study on pulse train controlled pseudo-continuous conduction mode DC-DC converter based on DSP

YUE Cheng，QIN Ming，WANG Yaoqiang
（School ofElectrical Engineering，Zhengzhou University，Zhengzhou 450001，China）

Pulsetrain（PT）controltechnologyappliedtodiscontinuousconductionmode（DCM）DC-DCconverterhasanidealperformance，butforcontinuousconductionmode（CCM)），itmayleadtosomecontrolproblems.SotheloadcapacityofPTcontrolledconverterisinsufficient. In order to solve this problem，a new PT controlled pseudo-continuous conduction mode（PCCM）converter is studied in this paper.It can improve the load capacity of converter by combining the new circuit topology with PT control technology.The principle of PT controlled PCCM converter is introduced and the waveforms of MATLAB simulations are presented in this paper.Then the hardware circuit design based onDSPandtheexperimentresultsaregiventoprovetheinterrelatedconclusion.

pulse train；pseudo-continuous conduction mode；DC-DC converter

TG434.1

A

1001－2303（2015）11－0021-05

10.7512/j.issn.1001-2303.2015.11.05

2015-04-23

國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目（51207142）

岳誠(chéng)（1990—），男，河南信陽(yáng)人，在讀碩士，主要從事直流開(kāi)關(guān)電源控制方面的研究工作。