Akım Tipi Çift Darbe Döngüler Arası Modülasyonlu Buck Konvertörü Üzerine "Akademik Rapor" Araştırması
Geleneksel anahtarlamalı DC-DC dönüştürücüler, anahtarlamalı DC-DC dönüştürücünün kapalı döngü kontrolünü elde etmek için genellikle darbe genişlik modülasyonu (Darbe Genişliği Modülasyonu, PWM) teknolojisini kullanır. Doğrusal sabit frekanslı değişken darbe genişlik modülasyon teknolojisi olarak PWM, kontrol darbesinin görev döngüsünü ayarlama teknolojisini benimseyerek anahtarlama dönüştürücünün çıkış voltajının kontrolünü gerçekleştirir. Şu anda, PWM modülasyon teknolojisinin gelişimi nispeten olgunlaşmıştır ve güç elektroniği endüstrisinde yaygın olarak kullanılmaktadır. Güç sistemi performans gereksinimlerinin sürekli iyileştirilmesiyle, doğrusal teoriye dayalı PWM modülasyon teknolojisi, sağlamlık ve geçici yanıt açısından her zaman tatmin edici değildir. Doğrusal olmayan kontrol yöntemlerinin tanıtılması, sistemin dinamik özelliklerini etkin bir şekilde geliştirmiş ve yukarıdaki doğrusal kontrol teknolojisindeki problemleri çözmüştür.Bu kontrol teknolojisi, yurtiçi ve yurtdışındaki araştırmacıların ilgisini çekmiştir.
Doğrusal olmayan bir kontrol teknolojisi olarak Darbe Atlama Modülasyonu (PSM) teknolojisi, önerildiği günden bu yana endüstride yaygın olarak kullanılmaktadır. PWM teknolojisi ile karşılaştırıldığında, PSM teknolojisi basit devre tasarımı, hızlı geçici yanıt ve hafif yük altında yüksek çalışma verimliliği avantajlarına sahiptir. Literatür, PSM teknolojisi ile darbe katarı (Darbe Tren, PT) teknolojisini birleştiren DPSM teknolojisini önermektedir. Çalışma prensibi, anahtarlamalı güç kaynağının çıkış voltajı ile referans voltajı arasındaki ilişkiye göre puls sıralaması kontrolörünün güç palsları seçimini belirlemek ve son olarak çıkış voltajının kararlı bir duruma ulaşmasını sağlamaktır. Bununla birlikte, literatürde önerilen voltaj tipi DPSM Buck dönüştürücü, tek bir voltaj döngüsü tarafından kontrol edilir.Bu teknoloji, devre başlatıldığında akım aşımına eğilimlidir.Devreyi korumak için bir yumuşak başlatma devresi ve bir aşırı akım koruma devresi eklenmelidir, böylece devre artar Tasarımın karmaşıklığı. Yukarıdaki sorunlar göz önüne alındığında, bu makale, voltaj tipi DPSM teknolojisinin tüm avantajlarını korurken, devre başlatıldığında mevcut aşma olgusunu başarıyla ortadan kaldıran akım tipi bir DPSM teknolojisi önermektedir.
Mevcut DPSM teknolojisi, benzersiz bir kontrol yöntemine sahip basit bir anahtarlamalı DC-DC dönüştürücü kontrol yöntemidir.İlgili teorik analiz ve dinamik modelleme hakkında araştırma raporu yoktur. Bu makale temel olarak Buck dönüştürücüyü örnek olarak almaktadır.İlk olarak akım tipi DPSM teknolojisinin temel çalışma prensibini açıklamakta ve çıkış gerilim değişimi ile yük direnci arasındaki ilişkiyi türetmekte, ikinci olarak DCM'de çalışan DPSM Buck dönüştürücünün dinamik modellemesini ve modellemesini yapmaktadır. Yük direnci, değişken bir çatallanma analizidir; son olarak, mevcut tip DPSM teknolojisinin teorik analizinin doğruluğu, PSIM simülasyon sonuçlarının analizi ve deneysel devrenin üretimi ile doğrulanır.
Dinamik modelleme ve darbe kombinasyon yasası
1 Buck dönüştürücünün dinamik analizi
+ 1 ve vn + 1'deki in ve vn'nin indüktör akımı i (t) ve çıkış kapasitör voltajının örneklenen değerleri, yani sırasıyla nT ve (n + 1) T saatlerinde çıkış voltajı v (t) olduğunu varsayalım. Bir anahtarlama periyodunda üç farklı devre topolojisine göre, farklı durumlarda zaman alanlı çözümler elde edilebilir.
Anahtar durumu I: anahtar tüpü S açılır ve serbest dönen diyot D kapatılır. Devre durumu denklemi Ldi / dt = -v + E, Cdv / dt = i-v / R olarak ifade edilir ve zaman alanı çözümü şöyledir:
Denklem (8) tarafından açıklanan ayrık zamanlı haritalama modeli, iki boyutlu bir ayrık dinamik sistem modelidir. Geçerli mod DPSM DCM Buck dönüştürücü, her anahtarlama döngüsünün başında ve sonunda her zaman sıfır olduğundan, denklem (8) 'de açıklanan model tek boyutlu bir ayrık zamanlı eşleme modeline indirgenebilir, yani:
İndüktör akımı IH ve IL'yi denklem (9) ile değiştirerek şunları elde edebiliriz:
2 Darbe kombinasyon analizi
Denklemden (10), akım modu DPSM DCM Buck dönüştürücünün çıkış geriliminin çatallanma davranışı analiz edilebilir. Yük direnci R, çatallanma parametresi olarak seçilir ve değişim aralığı 8,5 ~ 70 şeklindedir.Sonuç, Şekil 2 (a) 'da gösterilmiştir.
R = RH, sürücünün çalışma yolu ve sınır V2 ilk sınır çarpışmasına ve çatallanmaya sahip olduğunda, kontrolör tarafından gönderilen darbe dizisi tek bir PH darbe kombinasyonundan bir PH ve PL darbe kombinasyonuna değişir; yük direnci arttıkça R = RHL olduğunda, konvertörün çok dönemli ray kırılması, sınır V2 ile çarpışır ve çatallanır ve sınır V1 ile ilk çarpışma çatallanma aynı anda meydana gelir Konvertörün çalışma yörüngesi, aynı anda üç çeşit güç darbesi olgusunu gösterir. Gönderilen darbe dizisi, PH, PL ve P0 darbelerinin bir kombinasyonudur; yük direnci R arttıkça, R = RL olduğunda, dönüştürücünün çok dönemli yörüngesi son kez sınır V1 ile çarpışır ve aynı zamanda sınır V2 ile çarpışır. Bifurkasyon, kontrolör tarafından gönderilen darbe dizisi PL ve P0 darbelerinin bir kombinasyonu haline gelir. Çatallanma fenomenini ve darbe kombinasyon modunu açıkça gözlemlemek için, Şekil 2 (b), R = 15.56 civarında bir kısmi çatallanma diyagramı göstermektedir.
Şekil 2 (a) 'da, V1 ve V2 sırasıyla sınırlardır.V2 sınırının altındaki ayrı noktalar, güç darbesi PH eylemi altındaki çıkış voltajının çalışma yörüngesini temsil eder ve V1 ve V2 sınırları arasındaki ayrık noktalar, PL eylemi altındaki çıkışı temsil eder. Voltajın çalışma yörüngesi, V1 sınırının üzerindeki ayrık noktalar, P0 eylemi altındaki çıkış voltajının çalışma yörüngesini temsil eder. Ne zaman R < RH'de yük daha ağırdır ve mevcut DPSM Buck dönüştürücü yalnızca PH'yi seçer ve dönüştürücü döngü 1 durumunda çalışır; RH < R < RHL durumunda, H PH ve L PL'nin ayrık noktalarının bir kombinasyonu vardır ve dönüştürücü çok döngülü H + L durumunda çalışır; RHL < R < RL olduğunda, H PH, L PL ve 0 P0 ayrık noktalarından oluşur.Dönüştürücü çok döngülü H + L + 0 durumunda çalışır; RL < R olduğunda, L PL ve 0 P0 ayrık noktalarından oluşur ve dönüştürücü çok döngülü L + 0 durumunda çalışır. Şekil 2 (b) 'de, R = 15.56 olduğunda, RHL < R < RL, dönüştürücü devresinin dizi darbesi PH, PL ve P0'dan oluşur.Bu sırada dönüştürücü periyodik 4 durumda çalışır ve kombinasyonu 2PH-1PL-1P0'dır. Geçerli modlu DPSM Buck dönüştürücünün özel bir ayrık dinamik sistem olduğu görülebilir.
Deneysel doğrulama
Akım tipi DPSM kontrolörünün uygulanabilirliğini doğrulamak için, onun tarafından kontrol edilen Buck dönüştürücü, deneysel doğrulama ve deneysel doğrulama için kullanılır.
Bir devre modeli oluşturmak için PSIM simülasyon yazılımını kullanın ve mevcut tip DPSM DCM Buck dönüştürücü üzerinde deneysel araştırma yapın. Şekil 3, akım tipi DPSM DCM Buck dönüştürücüsünde R 11,7 , 22,2 ve 43 olduğunda v, i ve VGS'nin zaman alanı dalga formlarını gösterir. Şekil 3 (a) 'da, R = 11.7 , kontrolörden gelen darbe dizisi çıkışı 2PH-1PL'dir; Şekil 3 (b), R = 22.2 ve darbe dizisi kombinasyonu 1PH-2PL-1P0'dır; Şekil 3 (c) R = 43 , darbe dizisi kombinasyonu 2PL-1P0'dır.
Şekil 3'teki indüktör akımı DCM'dedir. Şekil 3 (a) 'daki çıkış voltaj dalgası yaklaşık 70 mV'dir; Şekil 3 (b)' deki çıkış voltaj dalgası yaklaşık 60 mV'dir; Şekil 3 (c) 'deki çıkış voltaj dalgası yaklaşık 35 mV'dir. Deneysel sonuçlar temelde PSIM simülasyon yazılımı ile oluşturulan devre simülasyon sonuçlarıyla tutarlıdır.
sonuç olarak
Bu makale, çalışma prensibine dayalı olarak akım tipi bir DPSM kontrol teknolojisi önermekte, dinamik modellemeyi sürdürmekte ve çıkış voltajı değişimi ile yük direnci arasındaki ilişkiyi elde etmektedir. PSIM devre simülasyonunu ve deneysel devre gözlemini kullanmak, teorik analizin doğruluğunu ve uygulanabilirliğini kanıtladı.
Akım tipi DPSM DCM Buck dönüştürücünün bir güç darbesinin döngü süresi, yüksek ve düşük güç darbelerinin ve çapraz çevrim darbelerinin sayısı ve bunların kombinasyonuyla belirlenir. Analiz, R < RHL olduğunda, kontrolör PT kontrol modudur; RHL < R < RL olduğunda, kontrolör DPSM kontrol moduna geçer. Yük direncinin sürekli artmasıyla, kontrol darbe kombinasyonundaki PH oranı kademeli olarak azalır ve PL ve P0 oranı kademeli olarak artar; R > RL'de, PH kaybolur ve kontrolör PSM kontrol moduna geçer. Mevcut tip DPSM teknolojisi, farklı yük dirençlerine sahip farklı kontrol teknolojilerini seçebilir, bu da konvertörün daha hızlı yanıt vermesini ve daha verimli çalışmasını sağlar.
