基于dsPIC30F的交錯并聯(lián)Buck變換器研究

周　香，劉　闖，左月飛(南京航空航天大學(xué)自動化學(xué)院，江蘇南京210016)

基于dsPIC30F的交錯并聯(lián)Buck變換器研究

周香，劉闖，左月飛
(南京航空航天大學(xué)自動化學(xué)院，江蘇南京210016)

針對高速永磁發(fā)電系統(tǒng)對功率變換器寬輸入范圍、高功率密度、高效率等要求，設(shè)計并研制了與之匹配的交錯并聯(lián)Buck變換器。分析了交錯并聯(lián)Buck變換器的工作原理，提出了采用專用電源和電機數(shù)字控制芯片dsPIC30F2023實現(xiàn)逐周期限流控制的方案，解決了并聯(lián)變換器的均流問題。實驗結(jié)果表明，變換器具有較好的輸入、輸出性能，系統(tǒng)的安全性、可靠性以及集成性等得到提升，滿足設(shè)計要求。

高速永磁發(fā)電系統(tǒng)；交錯并聯(lián)；dsPIC30F；均流；逐周期限流控制

高速永磁發(fā)電機因其功率密度高、噪音小、動態(tài)響應(yīng)較快等優(yōu)點而被廣泛應(yīng)用，但永磁同步發(fā)電機從外部調(diào)節(jié)磁場變化極為困難，導(dǎo)致不能直接調(diào)節(jié)電壓。為使高速永磁發(fā)電系統(tǒng)輸出28.5 V恒定直流電壓，需要設(shè)計與之匹配的功率變換器，滿足寬輸入電壓范圍、高功率密度、高效率、高可靠性等要求[1]。

近年來隨著變換器功率等級增大及復(fù)雜程度提高，交錯并聯(lián)技術(shù)得到了快速的發(fā)展。在相同輸出條件下，交錯并聯(lián)技術(shù)在各支路中進(jìn)行合理的熱損耗分配，提高系統(tǒng)可靠性，提高變換器的功率等級，降低變換器中開關(guān)管的應(yīng)力，提高效率，減小輸出紋波[2]。針對高速永磁發(fā)電系統(tǒng)對功率變換器的性能要求及技術(shù)指標(biāo)要求，本文選用交錯并聯(lián)Buck變換器。

目前，交錯并聯(lián)式變換器控制多采用模擬芯片 (如UC3842、UCC28070)實現(xiàn)，電路設(shè)計復(fù)雜、通用性不好、功能不易擴(kuò)展。本文采用數(shù)字控制芯片dsPIC30F2023實現(xiàn)交錯并聯(lián)Buck變換器的數(shù)字控制，硬件電路的設(shè)計，提高了抗干擾能力，可實現(xiàn)開關(guān)電源智能化。本文研究了交錯并聯(lián)Buck變換器的工作原理及數(shù)字控制方案，提出采用數(shù)字控制芯片dsPIC30F2023實現(xiàn)逐周期限流控制，解決并聯(lián)變換器的均流

1 電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和工作原理

圖1是由兩路Buck電路并聯(lián)組成的功率變換器拓?fù)?，主要由三相整流橋、電流互感器CT1和CT2、電感L1和L2、電容Ci和Co、開關(guān)管Q1和Q2，以及續(xù)流二極管D7、D8組成。PWM1和PWM2為兩路開關(guān)管的交錯控制信號，移相角α=180°。

圖1　交錯并聯(lián)Buck變換器拓?fù)?/p>

變換器驅(qū)動波形及電感電流波形、輸出電流波形如圖2所示。

假設(shè)電感電流連續(xù)，由Buck電路工作過程可知，單路Buck變換器電感電流變化量為：

圖2　交錯并聯(lián)Buck變換器電流紋波

為求兩路并聯(lián)后總的電流變化量，首先將兩電感電流IL1、IL2迭加，迭加后得：

為使其有意義，需要1－2D≥0，則D≤0.5。當(dāng)占空比D≤0.5時，變換器輸出電流紋波較單路減小許多，紋波頻率是單路的兩倍。當(dāng)0.5＆lt;D≤1的時候，分析情況類似，這里不再詳述。

在理想情況下，兩路交錯并聯(lián)Buck變換器在占空比D=0.5時紋波輸出為零。當(dāng)占空比D很小(接近于0)或者很大(接近于1)的時候，交錯并聯(lián)帶來的降低紋波幅值的效果不明顯[3]。在同等輸出條件下，交錯并聯(lián)電路各支路電感L1、L2 及MOSFET上承受的電流為單路Buck電路的一半，降低了單個MOSFET的導(dǎo)通損耗，提高了變換器的效率和功率密度。

2 交錯并聯(lián)Buck變換器的控制

2.1均流問題

并聯(lián)電源系統(tǒng)具有大容量、高效率、高可靠性、冗余特性等優(yōu)點。然而在實際應(yīng)用中，各個模塊的參數(shù)不可能完全一致，使得各個模塊承擔(dān)的輸出功率不均勻。如不采取措施，可能會導(dǎo)致某個或某些模塊承受較大的電流應(yīng)力，降低了可靠性。因此，并聯(lián)的變換器模塊間需采用均流措施[4]。

本文通過電流互感器采樣各支路開關(guān)管電流實現(xiàn)峰值電流模式控制的逐周期限流，自動實現(xiàn)并聯(lián)均流。

2.2逐周限流控制

采用數(shù)字控制方法實現(xiàn)峰值電流模式時，電壓環(huán)的PI調(diào)節(jié)可通過編程方便靈活地實現(xiàn)，但電流信號一般需采用模數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)模塊進(jìn)行采樣。數(shù)字控制芯片需及時精確地測量電流，以捕捉電流到達(dá)期望值的瞬時。為了實現(xiàn)高分辨率，需要控制芯片有很高的采樣速率和處理能力。

dsPIC30F2023內(nèi)部集成了帶10位參考數(shù)模轉(zhuǎn)換器(DAC)的高速模擬比較器，可監(jiān)視相對ADC來說可能過快而無法捕捉的電流瞬態(tài)變化。利用DAC為模擬比較器提供可編程的閾值，軟件可以隨時更新參考DAC的值以設(shè)定峰值電流限制，實現(xiàn)逐周限流控制，其原理如圖3(a)所示。dsPIC30F2023內(nèi)部PWM模塊設(shè)置兩支路PWM信號交錯180°，占空比均為最大占空比Dmax，頻率相等。采樣輸出電壓Uo，通過ADC采樣后與參考值Uref比較，經(jīng)過數(shù)字PI調(diào)節(jié)后，得到的輸出變量作為電流環(huán)的給定值。將電流互感器采樣的開關(guān)管電流經(jīng)過調(diào)整后，和電壓環(huán)得到的預(yù)置閥值相比較，向PWM模塊提供一個關(guān)閉信號，此信號與占空比計數(shù)器的輸出一起對PWM信號進(jìn)行門控。如果電感電流先達(dá)到期望值，比較器將截斷PWM脈沖，電感開始向輸出電容放電。如果PWM計數(shù)器先達(dá)到設(shè)定的最大占空比，比較器也將終止PWM脈沖。該方法可以得到一個不需要高速處理器的快速電流模式反饋，及時關(guān)閉本周的PWM，而不影響下個PWM周期的操作，使系統(tǒng)的調(diào)整率得到很好的改善，并在系統(tǒng)過載或短路時，有效保護(hù)開關(guān)管等功率器件。逐周期限流控制的PWM模式如圖3(b)所示。

圖3　　逐周期限流控制

3 實驗結(jié)果及分析

對上述設(shè)計進(jìn)行實驗調(diào)試，變換器主要參數(shù)：輸入電壓范圍Ui=36～70 V DC，輸出功率為400 W，輸出電壓Uo=28.5 V，各支路開關(guān)頻率為80 kHz。三相整流橋由6個肖特基二極管V12P10組成，輸入濾波電容選用四個47 μF/100 V電解電容并聯(lián)。主電路控制MOSFET選用IRFS4115-7PPbF，續(xù)流二極管選用STPS40170CG，電流互感器采用PA1005.100NL。主電感L1=L2=22 μH，輸出電容由四個100 μF/35 V電解電容并聯(lián)。

部分實驗波形如圖4所示。圖4(a)是在額定負(fù)載下的驅(qū)動波形ugs1、ugs2及輸出電壓Uo，輸入、輸出電壓關(guān)系為Uo=DUi。Uo平均值為28.5 V，紋波大小在設(shè)計要求范圍內(nèi)。圖4(b)是穩(wěn)態(tài)工作時兩路開關(guān)管電流波形，其峰值可代表電感峰值電流，經(jīng)過濾波后送入控制芯片的模擬比較器模塊，實現(xiàn)逐周期限流控制。圖4(c)對交錯并聯(lián)式、單支路Buck變換器紋波進(jìn)行了比較，可以看出，交錯并聯(lián)Buck變換器輸出紋波減小，頻率為單支路Buck變換器的兩倍，與理論分析一致。

圖4　交錯并聯(lián)Buck變換器穩(wěn)態(tài)工作波形

圖5給出了Ui=45 V下兩相交錯并聯(lián)、單相Buck變換器在不同功率點下效率曲線對比，反映了交錯并聯(lián)技術(shù)對變換器效率和功率等級的提高。在輕載和重載時，變換器的效率較低。這是由于輕載時，變換器本身存在固有損耗，所占比例較大，因此效率較低。在重載時，輸入輸出電流明顯增大，開關(guān)管導(dǎo)通損耗、二極管導(dǎo)通損耗、電感的銅損等都相應(yīng)增大，變換器效率略低。

圖5　交錯并聯(lián)與單支路Buck變換器效率曲線對比

4 結(jié)論

本文為高速永磁發(fā)電系統(tǒng)研制了匹配的交錯并聯(lián)Buck變換器，分析了交錯并聯(lián)Buck變換器的工作原理，以dsPIC30F2023為控制芯片實現(xiàn)了變換器的逐周期限流控制，并對電路進(jìn)行了實驗驗證。通過分析和實驗證明，采用交錯并聯(lián)技術(shù)，降低了變換器對電路中器件如開關(guān)管、電感、電容的要求，降低了輸出總電流紋波，提高了紋波頻率，提高了變換器功率密度。逐周期限流控制解決了數(shù)字控制中無法在期望點及時精確測量電流的問題及交錯并聯(lián)電路的均流問題，系統(tǒng)瞬態(tài)響應(yīng)速度快，提高了變換器的性能。

[1]王維俊.高速發(fā)電機系統(tǒng)理論與技術(shù)[M].北京：科學(xué)出版社，2010.

[2]王蕊，楊玉崗，李娜.交錯并聯(lián)Buck變換器本質(zhì)安全的研究[J].電力電子技術(shù)，2011，45(7)：117-120.

[3]吳松榮，許建平，郭世明.開關(guān)電源交錯拓?fù)漭敵鲭娏骷y波的數(shù)學(xué)分析[J].電源技術(shù)學(xué)報，2003，1(4)：15-19.

[4]ABU-QAHOUQ J,HONG M.Multiphase voltage-mode hysteretic controlled DC-DC converter with novel current sharing[J].IEEE Trans on Power Electronics,2004,19(6):1397-1407.

Research of interleaved Buck converter based on dsPIC30F

ZHOU Xiang,LIU Chuang,ZUO Yue-fei
(Automation Institute，Nanjing University of Aeronautics and Astronautics,Nanjing Jiangsu 210016,China)

Based on the power converter's requirements of wide input range,high power density,high efficiency,a interleaved Buck converter for high-speed permanent magnet generating system was designed and developed.The interleaved Buck converter was analyzed and the cycle-by-cycle current-limit control scheme based on the special digital control chip dsPIC30F2023 for power supply and motor was proposed to achieve current sharing.The results of experiment show that the interleaved Buck converter has better input and output performance and the performances of system such as safety,reliability and integration are promoted.The results of experiment meet the requirements of system.

high-speed permanent magnet generating system;interleaving;dsPIC30F;current sharing;cycleby-cycle current-limit control

TM 313

A

1002-087 X(2016)01-0192-03

2015-06-03

國防基礎(chǔ)科研項目(A2520×××236)

周香(1988—)，女，江蘇省人，碩士，主要研究方向為功率變換技術(shù)。問題，通過實驗驗證了變換器設(shè)計滿足高速永磁發(fā)電系統(tǒng)的要求。