摘要:基于滑模变结构控制技术,采用FLEX10KA FPGA(EPF10K30AQC208)数字控制芯片研制开发了容量为180W的有源箝位正激软开关电源;并且详细分析了该电源的控制时序及滑模变结构的数字化控制方案,最后给出了系统的实验结果。从实验结果可以看出滑模变结构控制鲁棒性强,系统的稳定性能好,动态响应速度快,而且主回路的开关管实现了零电压软开关。
关键词:滑模变结构控制; FPGA;数字化;软开关
0 引 言
随着现场可编程门阵列FPGA与数字信号处理器DSP等高性能数字控制芯片的迅速发展,开关电源的控制已经由模拟控制,模数混合控制,进入到了全数字控制阶段。采用数字化控制,不仅可以大大减小控制电路的复杂程度,提高电源设计和开发的灵活性,而且可以采用更为先进的控制算法,提高电源输出波形的质量和可靠性,尤其是能够克服模拟控制系统中元件老化,参数漂移等问题,从而使电源的输出一致性和稳定性得到提高。可编程逻辑器件FPGA由于其可重复编程,使用灵活,可靠性高,风险小等特点,很好地满足了开关电源设计与生产中缩短设计周期,加强可靠性,以及标准化、模块化的要求。因此,FPGA在开关电源领域得到了广泛的应用。
DC/DC变换器作为一类典型的开关非线性系统,长期以来其控制方法仍沿用传统的线性控制理论(如PI、PID控制),很难获得较好的动态性能。随着现代控制理论的发展,开关电源的滑模变结构控制引起了专家的广泛关注[1-4],滑模变结构控制适应了电力电子变换器的开关非线性特性,能够根据变换器运行状态,有效地控制变换器工作状态的切换,使DC/DC变换器的稳态误差趋于零,动态性能获得了很大改善,而且对于参数的不确定性和负载的多变性也有很好的鲁棒性,从而最有望成为电力电子变换器实用的控制技术。众多的研究者也在逐步将这种控制方法应用到电力电子变换器软开关技术和输出电压稳定控制等方面中来[5,6]。
本文采用FLEX10KA数字控制芯片研制开发了这款容量为180W的有源箝位正激软开关电源。实验结果证明了数字控制系统的良好性能,充分体现了现代控制理论在提高DC/DC变换器系统稳定性及动态响应性能方面的优越性。同时,所有控制算法均集中于一片FPGA芯片中,为开关电源的模块化、集成化、智能化提供了基础。
1 DC/DC变换器控制模型
有源箝位(ZVS-PWM)单端正激电路拓扑结构。正激变换器利用有源箝位,可以实现功率变压器磁心磁通的自动复位,无需另加复位措施;并可以使激磁电流沿正负反向流动,使磁心在磁化曲线的第一和第三象限,提高磁心的利用率。它是在PWM单端反激电路的基础上增加一个箝位开关Q2(功率MOS管)和一个箝位电容来实现,利用箝位电容C1及MOS管Q2的输出电容Csi和变压器绕组的漏电感Lr谐振,漏感储能向Csi释放过程中,使Csi电压逐步下降到零,体内的寄生二极管Di开通,创造主开关ZVS(零电压开通)的条件,同时提供有效的路径吸收变压器的漏感能量,从而改善功率变换级的效率。在主开关管Q1关断期间,由箝位电容C1的电压将主开关两端的电压钳在一定的电压水平上基本保持不变,这样就可以大大可以减少主开关管的应力。
创造主开关管Q1零电压开通(ZVS)的条件,有两种方法实现,第一种方法是:减小变压器的磁化感应,这样磁化电流将有比负载更高的峰值,多余的磁化电流将通过Q1的输出电容在Q2关断后放掉,缺点是在变压器的初级形成高的电流峰值。第二种方法是在整流二极管VD1的回路中串联一个可饱和电感,这种方法的优点是可以最大限度地减小初级峰值电流,饱和电感在Q2关断后暂时使变压器和负载断开,此间,全部的磁化电流经功率开关管Q1的输出电容放电。这样,更高的磁化电流可以得到利用,并且峰值磁化电流有所下降。本文是采用第二种方法利用磁珠代替可饱和电感来实现的。
2 基于滑模变结构的数字化控制方案
近年来滑模变结构控制(Sliding-mode control)在控制领域受到人们的普遍关注。滑模变结构控制在本质上是一种开关型控制,它要求频繁快速地切换系统的控制状态。由于滑模变结构控制的设计思想是利用“开关”变换控制率,因而具有不断改变系统结构的特征,其出发点不是基于线性系统,而是针对含有非线性系统在内的一般系统,特别适合于这种开关电路。滑模变结构理论[8]由前苏联学者欧曼尔扬诺夫(S.V.Emelyanov)、尤特金(V.I.Utkin)于20世纪50年代提出并发展至今。而滑模变结构控制则是在1960年由前苏联学者Fillipov提出,并建立了滑动表面的数学模型。当系统处于滑动运行时,误差动态响应可以确定,但是系统动态特性对参数变化及噪声干扰很不灵敏,正因为具有如此优良特性,滑模变结构控制理论在近20年来迅速发展,在许多领域都得到成功应用[1]。滑模变结构控制与常规控制的根本区别在于控制的不连续性。因此,它特别适用于DC/DC变换器这样的非线性系统和离散系统。
3 实验结果
本文采用ALTER公司的FPGA(FLEX10KA)成功地实现了数字化通用PWM控制器的设计,该控制器能够输出多路脉宽,相位可调的PWM脉冲列。本文还针对该有源箝位(ZVS-PWM)单端正激软开关电路进行了实验,验证了该控制器的可行性和有效性。实验条件:输入电压DC312V;输出电压DC12V;频率100kHz;Buck电路参数:开关管Q为TOSHI-BA2SK2746;二极管D为STPR60C20CT;输出电感L取6.5mH;输出电容C取2 200μF;,为开
关管驱动电压与开关管漏源电压波形。
4 结 论
本文详细分析了有源箝位(ZVS-PWM)单端正激软开关电源的控制时序及滑模变结构的数字化控制方案,并给出了系统实验结果。通过系统实验我们可以看出基于FPGA滑模变结构控制的系统具有频率高、响应速度快、通用性强、效率高、鲁棒性强等优点,并且系统的稳定性能好,动态响应速度快,尤其是主回路的开关管也实现了零电压软开关。与此同时采用FPGA构造电力电子装置的控制单元具有简单灵活,控制精确,易修改,可现场编程等优点,这对于电力电子变换器的全数字化控制,特别是软开关PWM电路的控制提供了一个崭新的实现途径。
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