○理论探讨 ○几种开关电容网络及其对DC -DC 变换器的改善国家自然科学基金资助项目。
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刘 健 陈治明 严百平(西安理工大学 710048) 摘 要 提出三种开关电容网络,包括串并电容组合结构、极性反转开关电容网络和推挽开关电容网络,并讨论了它们的性质。
将这三种开关电容网络和传统DC -DC 变换器相结合,提出了一系列新的变换器拓扑结构。
理论分析和实验结果表明,上述措施有助于提高具有悬殊电压变比的DC -DC 变换器的性能。
关键词 开关电容网络 DC -DC 变换器1 引言传统DC -DC 变换器中(如buck 、boost 和cuk 等),在进行较大电压变比的升压变换或较悬殊电压变比的降压变换时,必须令功率开关工作在很大或很小的导通比下,这影响了变换器的效率,也使变换器的动态特性降低[1]。
本文研究了将几种特殊的开关电容(SC )网络与传统的开关DC -DC 变换器相结合,利用SC 网络对电压进行预变换,借以改善传统的变换器性能的方法,提出一系列新的拓扑结构,如SC buck 变换器,SC boost 变换器以及SC cuk 变换器等。
2 几种开关电容网络SC 网络是仅含有电容器和功率开关的电路单元,功率开关一般分作交替导通的两组。
能够直接用于开关DC -DC 变换器来改善其性能的SC 网络有以下三种,如图1所示。
2.1 串并电容组合结构(Series -parallel capacitor group ,简写为SP ) 图1a 为典型的串并电容组合结构(SP ),一般情况下构成SP 的各个电容器取值均相等。
我们定义一个SP 中所含独立电容的个数为该SP 的阶(order ),用n 表示。
这样图1a 所示为二阶SP 。
SP 具有这样的特点:当外部给它充电时(即开关S 1导通,S 2断开时),组成SP 的各个电容C 1i 相互串联;而当SP 放电时(即S 2导通,S 1断开时),组成SP 的各个电容C 1i 相互并联。
因此,假如对SP 的充电状态的持续时间和放电状态的持续时间分别大于其充电状态时间常数和放电状态时间常数的话,则在稳态下n 阶SP 可以看作一个n ∶1的降压器,即图1 三种开关电容网络(a )二阶SP (b )R SC 网络(c )二阶Pus h -Pull SC 网络第5期电工技术杂志1999年9月V2=V1/n(1)因此采用SP代替传统DC-DC变换器中的单个电容器,能起到预降压变换的作用。
2.2 反转极性SC网络(Reversed SC Network,简写为RSC) 极性反转开关电容网络(RSC)可以获得负的电压变换关系,其结构如图1b所示。
当S1导通, S2断开时,V1通过V1对电容C1充电,极性如图所示;而当S2导通,S1断开时,电容C1通过V2放电,从而达到极性反转的目的。
因此,假如对电容C1的充电状态的持续时间和放电状态的持续时间分别大于其充电状态时间常数和放电状态时间常数的话,则在稳态下有V2=-V1(2)如果用上节讨论的SP代替单独的电容C1,则可构成极性反转的串并电容组合结构开关电容网络(简写为RSP-SC),在稳态下有V2=-V1/n(3)因此采用RSC代替DC-DC变换器中的单个电容器,能起到电压反转变换的作用;采用RSP-SC 代替DC-DC变换器中的单个电容器,既能起到电压反转变换的作用,还能实现降压预变换。
2.3 推挽SC网络(Push-Pull SC Network,简写为Push-Pull SC) 推挽开关电容网络(Push-Pull SC)的组成如图1c所示。
图中C1、C2……C i既可以是单独的电容,也可以采用SP构成,C M i称作中间电容,采用固定电容器构成。
在S1导通,S2截止时(称为状态Ⅰ),V1经S1和V1对C1充电,中间电容C M i也经二极管对C i+1充电;在S2导通,S1截止时(称为状态Ⅱ),V1与C i串联后经S2和二极管对中间电容C M i充电,从而实现升压作用。
我们称Push-Pull SC中,在S1导通,S2截止时,相互串联产生升压效果的SP的个数,为该Push-Pull SC的级数,则图1c为推挽二级开关电容网络。
一般地,推挽m级开关电容网络,具有m 个中间电容。
设C i1为构成SP C i的各个电容的取值,根据文献[2]在稳态下有V2 V1=Q S/Q L=1+∑mi=1 ∏ij=1n j∏mi=1n i(4)可见采用Push-Pull SC代替DC-DC变换器中的单个电容器,一般能起到升压预变换的作用。
3 基于开关电容网络的传统DC-DC变换器图2示出了几种典型的基于SC网络的DC-DC变换器。
图2 基于开关电容网络的DC-DC变换器(a)SP-SC buck变换器 (b)SP-SC cuk变换器(c)R SC boost变换器 (d)推挽SC buck变换器参考文献[3]并结合上节的讨论,可以得出基于SC网络的DC-DC变换的稳态特性如表所示。
4 实验研究图3a和b分别为一个二阶SP-SC buck DC-DC变换器和一个二阶SP-SC Cuk DC-DC变换器的实验结果,它们的电路组成分别如图2a、b所示。
在SP-SC buck变换器中,S1采用P型MOSFETIRF540,S2采用N型MOSFET IRF9530,这样方便了驱动电路设计,二极管采用SR150,L为32μH,11第5期刘 健等 几种开关电容网络及其对DC DC变换器的改善表1 连续导电模式(CC M )下,基于开关电容网络的传统DC -DC 变换器的稳态特性变 换 器 类 型M =V 0/V S开关导通比buck 原型buckD D =M SP -buck D 2/N D 2=NM R SC buck -D 2D 2=-M boost 原型Pus h -Pull buc k(m +1)D 2D 2=M /(m +1)boost1/(1-D )D 1=1-1/M SP -boos t 1/[N (1-D 1)]D 1=1-1/(MN )R SC -boost -1/(1-D 1)D 1=1+1/MPush -Pull boost(m +1)/(1-D 3)D 3=1-(m +1)/M cuk 原型cuk D /(1-D )D =M /(1+M )SP -cukD /[N (1-D )]D =MN /(1+MN )注:D 为相应开关的导通比,K =2L /(R L T S ),K e =2(L 1/L 2)/(R L T )。
图 3(a )SP -SC buck D C -D C 变换器的实验结果(V S =18V ,R L =10Ψ)(b )SP -SC Cuk D C -DC 变换器的实验结果(V S =48.8V ,R L =10Ψ)SP 中的电容器为片状钽电容,容值均为33μF ,ESR =0.1Ψ,输出电容容值为100μF ,E SR =0.06Ψ,开关频率为60kHz 。
在SP -SC cuk 变换器中,S 采用N 型MOSFET ,R on =0.085Ψ,L 1为360μH ,等效串联电阻为0.48Ψ,L 2为128μH ,等效串联电阻为0.2Ψ,SP 中的电容器均为片状钽电容,容值均为47μF ,ESR =0.1Ψ,输出电容也为多个片状钽电容的并联,总容值为100μF ,E SR =0.06Ψ,开关频率为100kHz 。
由实验结果可见,采用二阶串并电容组合结构后,buck 变换器在实现18～3V 的悬殊电压变换时,也能工作在较大的导通比;cuk 变换器在实现-48.8～5V 的悬殊电压变换时,S 开关的导通比也比较满意,并且实验结果和理论分析基本一致,两者的差异主要是理论分析时未考虑变换器的效率造成的。
5 结论将开关电容网络与传统的开关DC -DC 变换器相结合,利用开关电容网络对电压进行预变换,能够改善传统的变换器的性能。
采用SP -SC 网络与传统的开关DC -DC 变换器相结合,可以使之在进行悬殊电压变比的降压变换时,能够工作在合适的导通比范围,从而能够进一步提高工作频率和动态响应速度,甚至提高转换效率。
采用Push -Pull SC 网络与传统的开关DC -DC 变换器相结合,可以使之在进行较高电压变比的升压变换时,能够工作在合适的导通比范围,从而能够提高动态响应速度和转换效率。
采用反极性SC 网络与传统的开关DC -DC 变换器相结合,可以使之能够进行极性反转电压变换。
参考文献1 Middelbrook R D .Transformerless DC -to -DC converters withlarge conversion ratios .IEEE trans .on Power Electronics ,1998,3(4):484～4872 刘健.开关电容功率变换器.西安:陕西科学技术出版社,1998(下转第30页)图4 单片机对外部电路控制信号的光耦隔离图5 核心模块与外界隔离示意图会影响到硬件系统的正常工作,还常常使系统的软件运行发生混乱。
因此系统的抗干扰问题不能完全靠硬件去解决,软件的抗干扰设计也是一项重要措施。
系统受到干扰时,可能使单片机内部特殊功能寄存器(SFR )值改变,使程序状态混乱;如果改变的是程序指针PC 值,则会使程序进入死循环或将数据区中的数据破坏。
如果是被测信号受到干扰,则会造成测量值失真。
对于程序运行失常的软件,对策是及时发现,及时引导程序指针指向正确位置,或系统复位重新开始运行。
我们采用了如下措施。
(1)设置监视跟踪定时器(W DT ) 利用CPU 内部的WDT 可以实现系统定时复位。
在程序正常运行时,每隔一段时间对EDT 清零。
一旦程序运行不正常,没有及时给WDT 送清零信号,则在W DT 计数溢出时(12MHz 系统时钟下,大约16ms )自动将系统复位。
(2)设置软件陷阱 当程序进入非程序区,只要在非程序区设置拦截措施,使程序进入陷阱,然后强迫程序回到初始状态。
如单片机的RST 指令对应字节码为0FFH ,如果在不用的程序存储区预先写入0FFH ,则当程序因干扰而“飞”到该区域执行代码时,就相当于执行了一条RST 指令,从而达到系统复位的目的。
实际上,新的EPROM 芯片在没写入任何内容前,各字节内容均为0FFH 。
被测信号的干扰可以采用“软件滤波”的方法解决。
常用的有:①算术平均值法。
②比较取舍法。
③中值法。
④一阶递推数字滤波法。
我们在实际设计中采用的是算数平均值法。
由于我们在系统设计中采用了上述行之有效的抗干扰措施,使得该系统在恶劣环境中得以正常的工作。
Anti -interference Design ofEmbedded Processor Measuring and C ontrol S ystem for Electric VehiclesH an Xiaodong Du Yu(Tsinghua Vniversity 100084 China )Abstract Embedded processor (Single -chip processor )system is widely used in the areas of ind ustry control ,measuring and instru -ments ,etc .In recent years ,this technology is applied to Electric Vehicles (E Vs ).Due to the severe workin g environment of EVs ,anti -interference problem of E mbedded processor system is standin g out to be more and more i mportant .This article mainl y discusses some principles of anti -interference design for embedded processor system as well as provides some measures to this problem .Keywords E mbedded process or Electric Vehicle interference(上接第12页)3 蔡宣三,龚绍文.高频功率电子学.北京:科学出版社,1993Several Switched -capacitor Networks and their Improvements to DC -DC ConvertersLiu Jian Chen Zhiming Yan Baiping(Xi an University of Technology 710048 China )Abstract Three s witched -capacitor (SC )networks are presented including series -parallel capacitor set ,reversed -SC network and push -pull SC net work ,the performances of them are dis -cussed .Combining the SC networks with tradational DC -DC convert -ers ,we form several new topologies .Experiment and anal ysed re -sults show that the behaviour of a DC -DC converter with large volt -age ratio can be improved .Keywords s witched -capacitor net work DC -DC converter。