全数字控制的交错并联耦合电感式B00st电路

摘要：在交错并联Boost变换器中，当变换比高时，由于电路占空比较大，电流纹波会比较大，从而影响变换效率。介绍了一种耦合电感的方法调整电路的占空比，减小电流纹波。同时，采用了基于DSP的全数字控制．提高了电路的性能。
关键词：耦合电感；电流纹波；数字PI；DSP

O 引言
随着数字信号处理技术的发展，数字化在各个领域都得到了空前的发展，对电力电子技术的发展也起到了巨大的推动作用。数字电路与模拟电路相比，没有信号的传递畸变或失真，同时控制和处理非常方便，通过程序的变化就能实现各种功能，诸如稳压、滤波、保护等。特别在PWM信号控制方面，数字控制更显示出了它的优越性，能同时控制多路PWM信号，在不增加硬件电路的情况下利用模数转换器(ADC)功能能实现各种反馈控制，典型的有数字PI环控制。

Boost电路作为最简单的升压拓扑，被广泛应用，但由于电感内阻和器件导通电阻的存在，在占空比很大时，它的放大倍数反而下降，同时，在占空比较大时，电路的电流纹波会比较大，在要求瞬态响应性能不变的情况下，滤波电容要求比较大，降低了电路的功率密度，同时，降低了电路的效率。本文介绍了一种交错并联耦合电感式Boost电路，有效地提高了放大倍数，调节了占空比，减小了电流纹波，同时，全数字控制的引入稳定了输出，提高了电路的性能。该变换器控制芯片采用F2407ADSP。

1 电流纹波抑制
为了减小电路的电流纹波，同时又能满足快速瞬态响应的要求，交错并联结构是种不错的选择。图1是带同步整流功能的两相交错并联Boost变换器。图2是该电路的纹波抵消原理图。

对于两相交错并联的Boost变换器，总的输入电流纹波△IL为

式中：L为每路电感；
m为不大于2D的整数

可见，占空比在O．5附近对纹波的抑制效果是最好的。但是，当要求Boost电路的升压倍数比较大时，由于此时的开关管控制脉冲占空比比较大，远离了0．5，交错并联结构对电流纹波的消除作用不大，电路中纹波还是会比较大。

2 耦合电感式Boost电路
解决以上问题的关键是如何调节电路的占空比，为此，本文中引入了耦合电感，通过耦合电感匝比的作用，增加了电路的放大倍数，调整了开关管的占空比。

交错并联耦合电感式Boost电路如图3所示。图3中，S2(S4)做为同步整流管与主管S1(S2)互补导通。当主管导通时，输入电源给主电感L1(L3)充电，当辅助管导通时，L1(L3)上储存的能量转换到L2(L4)上给输出放电。现在推导电路的输入输出关系，根据电感的伏秒平衡特性有

因此，通过调节n就能扩大放大倍数。同时，放大倍数一定时，n的调节可以使占空比，D处在O．5附近，有利于电流纹波的消除。

3 工作原理分析
下面进行电路的稳态分析，电压、电流方向如图3所示，变换器工作波形如图4所示，to一t4时间可描述其工作原理，该段时间为一个开关周期Ts。

to～t1：开关管S2、S4导通，主管S1、S2关断，电感L1(L3)中储存的能量转移到L2(L4)，并与输入Vb串联给输出电容充电。
t1～t2：S4关断，S3导通，S2保持导通，上通道继续输出能量，下通道电源给L3储能，输出电容给负载放电，补偿因下通道减少的电流。
t2～t3：与to～t1阶段相同。
t3～t4:S1开通，S2关断，S4保持导通，下通道继续输出能量，上通道电源给L1储能，输出电容给负载放电，补偿因上通道减少的电流。

一个开关周期工作完成

4 数字PI环实现
本文变换器的控制脉冲输出都采用数字方式，由F2407A DSP控制输出。同时，通过对输出电压的AD采样，在DSP中进行PI调节后通过对控制脉冲占空比的调节实现输出的稳压。其基本控制框图如图5所示。

图5中，AD采样环节把主电路输出电压经DSP采样后离散化，形成一个离散的采样值，误差计算环节把得到的采样值和设定的参考值相减，得到PI调节所需的误差量。Pl补偿环节为一套PI控制算法，它通过对误差量的处理得到一个比较值，送人DSP的全比较单元，最终输出各个开关管的控制脉冲。

根据控制原理，Pl环节传递函数为

其对应的时域方程式为

离散化后得

式中：e(k)为误差输入；
Ko为比例系数；
Ki为积分环节系数(Ki=Kp／Ti)；
Ti为积分时间常数；
Ts为采样周期。
这就是位置式PI控制

在DSP中，设定好参数后，根据式(5)，进行累加运算后就得出了计算控制脉冲占空比用的比较值U(K)。最后把U(K)值放入DSP的全比较单元寄存器，完成控制脉冲输出。DSP一个采样周期PI环程序流程图如图6所示。

5 实验结果
实验中采用V=2．4 V，Vn=8．8 V，耦合电感匝比n=4，控制芯片采用TI公司的F2407A DSP，工作频率为50 kHz，电压采样采用霍尔传感器LV28一P。根据式(2)，PI环稳定在，D=0．4。

图7为上通道开关管S1．和S2漏源间的波形vds1和vds2图8为耦合电感两端(反向)波形一VL1和一VL2。