İki kontrol değişkeni PT kontrolü PCCM Buck-Boost dönüştürücü
Qin Ming, Li Fangfang
(Elektrik Mühendisliği Okulu, Zhengzhou Üniversitesi, Zhengzhou 450001, Henan)
Pseudo Continuous Conduction Mode (PCCM) Buck-Boost dönüştürücünün çalışma özelliklerine göre, indüktör atalet modu sırasında indüktör akım düşüşünün bir sonraki döngü darbesi üzerindeki etkisini azaltmak için yeni bir darbe dizisi (Darbe) Eğitim, PT) kontrol stratejisi. Kontrol stratejisi, kontrol cihazının farklı enerjinin voltaj kontrol darbelerine göre farklı akım kontrol darbeleri üretmesini sağlayan iki kontrol değişkeni içerir. PCCM Buck-Boost dönüştürücünün yeni PT kontrol stratejisi altındaki çalışma süreci detaylı bir şekilde analiz edilerek yüksek ve düşük enerji voltaj kontrol darbe oranı verilmiştir. Simülasyon ve deneysel sonuçlar, yeni kontrol stratejisinin uygulanabilirliğini ve teorik analizin doğruluğunu doğrular.
Darbe dizisi kontrolü; sözde sürekli iletim modu; Buck-Boost dönüştürücü; kontrol stratejisi
TN86
Belge tanımlama kodu: Bir
10.16157 / j.issn.0258-7998.2016.11.036
Çince alıntı biçimi: Qin Ming, Li Fangfang.İki kontrol değişkeni PT kontrol PCCM Buck-Boost dönüştürücü.Elektronik Teknoloji Uygulaması, 2016, 42 (11): 134-136, 140.
İngilizce alıntı biçimi: Qin Ming, Li Fangfang. İki kontrol değişkenli PT kontrollü PCCM Buck-Boost dönüştürücü.Elektronik Tekniğin Uygulanması, 2016, 42 (11): 134-136, 140.
0 Önsöz
Anahtarlamalı güç kaynağının kontrol teknolojisi, anahtarlamalı güç kaynağının performansını etkileyen ana faktördür Anahtarlamalı güç kaynağının geniş uygulama alanıyla, performans gereksinimleri sürekli artmaktadır. Doğrusal kontrol teorisine dayanan Darbe Genişliği Modülasyonu (PWM) teknolojisi, zayıf geçici özellikler, zayıf sağlamlık ve kompanzasyon ağlarının tasarlanmasında zorluk gibi problemlere sahiptir.İnsanlar güç kaynaklarının anahtarlama performansını iyileştirmek için daha iyi kontrol teknikleri kullanmaya çalışıyorlar. Güç kaynaklarını değiştirmek için elektronik ekipman gereksinimlerini karşılamak için.
Darbe katarı (Darbe Tren, PT) kontrol teknolojisi, son yıllarda önerilen yeni bir anahtarlama güç kaynağı doğrusal olmayan kontrol teknolojisidir.Basit kontrol devresi, geçici karakteristikleri ve iyi sağlamlığı nedeniyle geniş çapta incelenmiştir. PT kontrol teknolojisi, aynı frekansa ve farklı görev döngülerine sahip iki yüksek ve düşük güç voltaj kontrol darbesini önceden ayarlar.Uygun darbe, anahtarlama döngüsünün başlangıcında çıkış gerilimi ile referans gerilimi arasındaki ilişkiyi tespit ederek ve değerlendirerek etkin kontrol darbesi olarak seçilir. Birkaç yüksek ve düşük güç voltaj kontrol darbesinden oluşan bir darbe dizisi bir darbe dizisi döngüsü oluşturur Kontrolör, darbe dizisi döngü periyodunda darbe dizilerinin kombinasyonunu ayarlayarak dönüştürücünün çıkış gerilimini ayarlar.
Anahtar dönüştürücü, indüktör akımı Kesintisiz İletim Modunda (DCM) ve indüktör akımı Sürekli İletim Modunda (CCM) çalışabilir. PT kontrollü CCM dönüştürücülerdeki kararlılık sorunu nedeniyle, PT kontrol teknolojisi üzerine yapılan güncel araştırmaların çoğu, zayıf yük kapasitesine sahip DCM'de çalışan dönüştürücülerdir. İndüktör akımının Sözde Sürekli İletim Modu (PCCM), DCM ve CCM'den farklı özel bir çalışma modudur.Her anahtarlama döngüsünün bitiminden önce, indüktör akımının sıfır olmayan ve değişmeden kalan bir genlik periyodu vardır. DCM modunda sıfır indüktör akımı yerine zaman.
Bu makale, endüktansın parazitik parametrelerinin ve serbest dönen anahtarın dönüştürücü devresi üzerindeki etkisini ele alır ve Buck-Boost dönüştürücüsünün PCCM modunda çalışmasını sağlamak için yeni bir darbe dizisi kontrol stratejisi önerir ve kontrol sürecini ve yüksek ve düşük güç voltaj kontrolünü analiz eder. Son olarak, simülasyon ve deney, yöntemin uygulanabilirliğini ve teorik analizin doğruluğunu doğrular.
1 PT kontrolü CCM Buck-Boost dönüştürücü
Şekil 1, PT kontrollü bir PCCM Buck-Boost dönüştürücünün devre yapısı diyagramıdır. İndüktörün her iki ucuna paralel olarak bağlanan diyot D2 ve anahtar S2, indüktör akımı için bir serbest dönüş yolu sağlayabilir.İki anahtar tüpünün açılıp kapanmasını kontrol ederek, dönüştürücü PCCM modunda çalışabilir. Bir anahtarlama döngüsünde PCCM Buck-Boost dönüştürücünün üç çalışma modu vardır: S1 anahtarı açıldığında ve S2 kapatıldığında, dönüştürücü bir indüktör şarj durumundadır, indüktör akımı iL doğrusal olarak artar, diyot D1 ters voltaj tarafından kapatılır ve kondansatör R yüküne C deşarj olur; hem S1 hem de S2 kapatıldığında, dönüştürücü endüktif deşarj durumundadır, iL sürekli olarak azalır, D1 ileri voltaj iletimine maruz kalır ve indüktör L, C ve R'ye boşalır; S1 kapatıldığında ve S2 açıldığında, değişir Cihaz endüktif atalet modundadır, iL D2 ve S2'den akar, D1 tekrar ters voltajla kapatılır ve C R'ye deşarj olur. L, D2 ve S2'nin parazitik dirençleri göz ardı edilirse, iL DCM altında değil değişmeden kalır. Sıfır indüktör akım değeri.
Gerçek çalışmada, indüktörün ve anahtar tüpünün kaybı nedeniyle indüktör akımı, indüktör atalet modu sırasında doğrusal olarak azalacaktır. Devredeki kayıp dikkate alınarak, iki kontrol değişkenine sahip yeni bir PT kontrollü PCCM Buck-Boost dönüştürücü kontrol stratejisi önerilmiştir. Kontrolör bir darbe dizisi kontrolörü ve bir sözde sürekli kontrolörden oluşur.Çalışma süreci: her anahtarlama döngüsünün başlangıcında, örnekleme devresi çıkış voltajını örneklemektedir. Vo, referans voltajı Vref'den düşük olduğunda, puls sekans kontrolörü yüksek üretir Enerji voltaj kontrol darbesi PH1, açılacak şekilde anahtar tüpü S1'i kontrol edin, böylece indüktör akımı iL yükselir; PH1 darbesi sona erdiğinde, S1 kapanır ve iL düşer; iL, ayarlanan referans akımına Iref düştüğünde, sözde sürekli denetleyici bir akım üretir Kontrol darbesi PH2, kontrol anahtarlama tüpü S2 açılacak, iL bir sonraki anahtarlama döngüsünün başlangıcına kadar akmaya devam eder. Vo, Vref'den yüksek olduğunda, darbe dizisi kontrolörü bir düşük enerjili voltaj kontrol darbesi PL1 üretir, S1'in açılmasını kontrol eder ve iL yükselir; PL1 darbesi sona erdiğinde, S1 kapanır ve iL düşer; iL, ayarlanan referans süresine düşer tref Bundan sonra, sözde sürekli kontrolör bir PL2 akım kontrol darbesi üretir, S2'nin açılmasını kontrol eder ve iL, bir sonraki anahtarlama döngüsünün başlangıcına kadar akmaya devam eder. Şekil 2, darbe dizisi kontrol PCCM Buck-Boost dönüştürücüsünün ana çalışma dalga biçimlerini gösterir.
Kontrol değişkeni olarak yalnızca bir referans akımı Iref ayarlanırsa, darbe dizisi kontrolörü yüksek ve düşük enerji voltaj kontrol darbeleri ürettiğinde, sözde sürekli kontrolör, iL Iref değerine düştüğünde karşılık gelen akım kontrol darbeleri üretir ve açmak için S2'yi kontrol eder. Bununla birlikte, fiili çalışmada, düşük enerjili voltaj kontrolü darbe döngüsü işlemi nedeniyle, indüktörün atalet modu daha uzun süre dayanacak ve indüktör akımı büyük ölçüde düşecek ve bu da bir sonraki döngüde indüktör akımını ciddi şekilde etkileyecek, yüksek enerjili voltaj kontrolü darbe işlemi anahtarlama döngüsü İndüktör akımının kısa bir serbest dönüş süresi vardır ve indüktör akım düşüşü göz ardı edilebilir. Bu iki durumda indüktör akım dalga formları Şekil 3'te gösterilmektedir.
Önerilen yeni kontrol stratejisi, bir referans akımın ayarlanmasına ve bir zaman kontrolü eklenmesine dayanmaktadır.Düşük enerjili bir voltaj kontrol darbesi üretildiğinde, indüktör akımı ayarlanan zamana indirilir ve S2 anahtarı açılır, böylece sözde sürekli hale gelir Kontrol cihazı, darbe dizisi kontrolörü tarafından üretilen voltaj kontrol darbelerine göre karşılık gelen akım kontrol darbeleri üretir; bu, sonraki çevrimi etkilemez; yüksek enerjili gerilim kontrol darbeleri üretirken, indüktör akımı referans akıma düştüğünde S2 hala açılır. Şekil 4, iki kontrol değişkeni PT tarafından kontrol edilen PCCM Buck-Boost dönüştürücünün kontrol akış şemasıdır.
2 Yüksek ve düşük enerji voltaj kontrol darbe oranı analizi
PT kontrollü PCCM Buck-Boost dönüştürücü için, yüksek enerjili voltaj kontrol darbesi PH1'in üretildiği anahtarlama periyodu sırasında, S1 anahtarının açık kalma süresi DHT'dir ve S1'den akan akım dalga formu Şekil 2'de gösterilmektedir. Anahtarlama periyodu S1'den geçer. Ortalama akım:
Formülde Iref referans akımı, DH PH1'in görev döngüsü, T anahtarlama periyodu, Vi giriş voltajı ve L endüktanstır.
Buck-Boost dönüştürücünün giriş akımı, anahtarlama tüpü S1 boyunca akan akımdır, bu nedenle, yüksek enerjili voltaj kontrol darbesi PH1'in anahtarlama süresi boyunca, dönüştürücü tarafından girişten elde edilen enerji:
Benzer şekilde, düşük enerjili voltaj kontrol darbesi PL1'e etki eden anahtarlama süresini bulmak için, dönüştürücü tarafından girişten elde edilen enerji:
DL, PL1'in görev döngüsüdür.
Buck-Boost dönüştürücünün sabit bir durumda çalıştığını varsayarsak, darbe dizisi H yüksek enerjili voltaj kontrol darbelerinden ve L düşük enerjili voltaj kontrol darbelerinden oluşur ve dönüştürücü tarafından bir darbe dizisi döngüsü sırasında girişten elde edilen toplam enerji şu şekildedir: :
Konvertörün çıkış gücünün P ve enerji dönüşüm verimliliğinin olduğunu varsayarsak, aşağıdaki ilişki mevcuttur:
Yukarıdaki formüllerden, PCCM modundaki darbe dizisi döngüsündeki PH1 darbelerinin sayısı ile PL1 darbeleri arasındaki orantılı ilişki elde edilebilir:
PCCM modunun analiz yöntemine göre, DCM modunda darbe dizisi döngü periyodundaki yüksek ve düşük enerjili voltaj kontrol darbelerinin sayısı arasındaki orantılı ilişki de elde edilebilir:
Denklem (6) ve denklem (7) 'den, PT kontrolü PCCM modunda ve DCM modunda H / L ve yük gücü P arasındaki ilişki eğrisi Şekil 5'te gösterildiği gibi elde edilebilir. Dönüştürücü devresinin parametreleri şunlardır: Vi = 10 V, Vo = 9 V, P = 1.8 W, T = 50 s, L = 100 H, C = 470 F; darbe dizisi kontrol parametreleri: DH = 0.12, DL = 0.4, Iref = 0,5 A.
Şekil 5'den yük gücünün artmasıyla H / L'nin arttığı görülmektedir.Çıkış gücü belirli bir değere çıktığında H / L hızla artmakta ve konvertör normal çalışamamaktadır.PCCM modunun normal olabileceği şekilden görülebilmektedir. Çalışma çıkış gücü aralığı DCM modundan daha büyüktür, yani PCCM dönüştürücü daha güçlü bir yük kapasitesine sahiptir.
3 Simülasyon araştırması
Yukarıda bahsedilen teorik analizin doğruluğunu kanıtlamak için, iki kontrol değişkeni PT tarafından kontrol edilen PCCM Buck-Boost dönüştürücüsünde bir simülasyon çalışması yürütülür Simülasyon hala önceki bölümdeki devre parametrelerini ve kontrol parametrelerini kullanır.
Şekil 6, farklı yük güçleri altında iki kontrol değişkeni PT tarafından kontrol edilen PCCM Buck-Boost dönüştürücünün voltaj kontrol darbesinin simüle edilmiş dalga biçimlerini gösterir. Giriş voltajı nominal değerdir, P 1,8 W olduğunda, darbe dizisi PH1-PL1-PL1-PH1-PL1, H / L = 2 / 3'tür; P 1,2 W'a düşürüldüğünde, darbe dizisi PH1-PL1-PL1- şeklindedir. PL1, H / L = 1/3; P, 3,4 W'a yükseldiğinde, darbe dizisi PH1-PH1-PH1-PL1, H / L = 3'tür.
Darbe dizisi denetleyicisinin hafif yükte nispeten daha düşük enerjili voltaj kontrol darbeleri ürettiği ve darbe dizisi denetleyicisinin ağır yükte nispeten daha yüksek enerjili voltaj kontrol darbeleri ürettiği görülebilir. Ek olarak, çıkış gücü 3,4 W olduğunda, PT kontrollü DCM Buck-Boost dönüştürücü artık normal çalışamaz ve PCCM modu, DCM moduna kıyasla yük kapasitesini iyileştirir.
4 Deneysel doğrulama
Yeni kontrol stratejisinin uygulanabilirliğini ve teorik analiz ve simülasyon araştırmasının doğruluğunu doğrulamak için, bu makale PT kontrollü PCCM Buck-Boost dönüştürücüsünün iki kontrol değişkenini doğrulamak için deneysel bir platform oluşturur.Deneysel parametreler simülasyon parametreleri ile aynıdır. Deneysel cihazdaki anahtar tüplerinin tümü IRF3205, diyot SR560, A / D dönüştürücü LM393, optocoupler 6N137, kontrolör bir dijital kontrolör FPGA, model EP4CE15F17C8 ve sürüş çipi A3120'dir.
Şekil 7, P 1,8 W olduğunda iki kontrol değişkeni PT tarafından kontrol edilen PCCM Buck-Boost dönüştürücünün voltaj kontrol darbesi ve indüktör akımının deneysel dalga biçimlerini gösterir. Bir darbe dizisi döngüsünde denetleyici tarafından gönderilen voltaj kontrol darbe dizisi: PH1-PL1- PL1-PH1-PL1. Deneysel sonuçlar teorik analiz ve simülasyon sonuçlarıyla tutarlıdır ve yeni kontrol stratejisinin uygulanabilirliğini ve teorik analiz ve simülasyon araştırmasının doğruluğunu doğrular.
5. Sonuç
Bir kontrol değişkenine sahip geleneksel PT kontrollü PCCM dönüştürücüsüne dayanan bu makale, iki kontrol değişkenli bir PT kontrol stratejisi önermektedir Kontrolör, karşılık gelen akım kontrol darbelerini üretmek için darbe sırasına göre yüksek ve düşük enerji voltaj kontrol darbeleri üretir. Konvertörün bu kontrol stratejisi altındaki çalışma süreci detaylı bir şekilde analiz edilir ve konvertör performansı iyileştirilir. Simülasyon ve deneysel araştırmalar sayesinde, darbe dizisi kontrol PCCM Buck-Boost dönüştürücünün çalışma koşulları ve darbe kombinasyonu analiz edilir ve yeni kontrol stratejisinin uygulanabilirliği ve teorik analizin doğruluğu doğrulanır.Aynı zamanda, PT kontrolü DCM Buck-Boost ile uyumlu olduğu da kanıtlanmıştır. Dönüştürücü ile karşılaştırıldığında, PT kontrollü PCCM Buck-Boost dönüştürücünün yük kapasitesi önemli ölçüde iyileştirilmiştir.
Referanslar
Zhang Zhansong, Cai Xuansan. Anahtarlama güç kaynağının ilkesi ve tasarımı. Pekin: Electronic Industry Press, 2005.
Wu Zhong, Li Hong, Zuo Peng vb. DC / DC yükseltici dönüştürücünün kademeli kontrolü. Çin Elektrik Mühendisliği Derneği Bildirileri, 2002, 22 (1): 110-115.
Wang Fengyan, Xu Jianping, Xu Junfeng. V2 kontrol Buck dönüştürücünün analizi. Çin Elektrik Mühendisliği Derneği Bildirileri, 2005, 25 (12): 67-72.
Zhang Li, Qiu Shuisheng. Buck dönüştürücünün integral yeniden yapılandırma kayan mod kontrolü. Elektrik Makineleri ve Kontrol Dergisi, 2006, 10 (1): 93-96.
Qin Ming, Xu Jianping, Mou Qingbo. Buck konvertörünün kontrol kanunu ve özellikleri. Southwest Jiaotong Üniversitesi Dergisi, 2009, 44 (5): 660-666.
Xu Jianping, Mou Qingbo, Wang Jinping vb. Darbe dizisi ile kontrol edilen DCM Buck dönüştürücünün çıkış voltajı dalgalanması üzerine araştırma. Elektrik Makinaları ve Kontrol Dergisi, 2010, 14 (5): 1-6.
Zhang Fei, Xu Jianping, Yang Ping vb. İki anahtarlı sözde sürekli iletim modu Buck-Boost güç faktörü düzeltme dönüştürücü. Çin Elektrik Mühendisliği Bildirileri, 2012, 32 (9): 56-64.
AET üyeleri için yıl sonu avantajları!
