现代DC-DC变换器数字控制器的设计与实现

S.Chithra¹， V. Devi Maheswaran²

PG学生[嵌入式系统]，EEE系，Rajalakshmi工程学院，金奈，泰米尔纳德邦，印度
印度泰米尔纳德邦金奈拉贾拉克什米工程学院电子电气工程系副教授

摘要

有几种技术可用于使用数字控制器实现DC-DC转换器，其中基于FPGA(现场可编程门阵列)的实现在速度、灵活性、低功耗、减小设备尺寸和大规模并行性方面提供了各种优势。传统的方法只允许在最终实现后进行故障诊断，导致额外的成本和设计时间的损失。本文提出了一种基于FPGA的智能方法，利用Matlab和FPGA实现DC-DC Buck - Boost变换器控制系统模型Sim卡。控制算法和编码通过Verilog代码完成，并在Altera FPGA板上实现。FPGA控制整个系统，并根据应用程序决定是否增加或降低电压。在可变负载条件下，应用负载并检查效率。

关键字

转换器，DSP，现场可编程门阵列，Matlab, Modelsim。

I.INTRODUCTION

所有电池供电的电子设备的电压范围都在充满电到半充满电的电池之间。由于所需的输出可能大于或小于所提供的电压，因此需要级联降压和升压变换器才能用于此目的。两个变换器的级联形成所谓的降压-升压变换器。

这些转换器的控制传统上是使用模拟方法实现的。但由于近年来数字技术的进步，数字控制器已经开始取代模拟控制器。使用微控制器和数字信号处理器(DSP)控制的数字系统正在被一个更合适的候选，现场可编程门阵列(FPGA)[1]所取代。现场可编程门阵列(FPGA)由可重构门阵列逻辑电路矩阵组成，可根据用户需求进行配置。这些逻辑块在配置和连接时创建了软件应用程序[2]的硬件实现。FPGA的行为可以用硬件描述语言(HDL)或原理图来描述。FPGA技术现在被越来越多的设计人员考虑在各个应用领域，如电信，视频，信号处理，嵌入式控制系统和电气控制系统[2]。因此基于FPGA的控制器具有以下优点[5-9]。

FPGA可以更快地处理信息。

控制器架构可以根据空间或速度进行优化。

可采用耐辐射封装。

在HDL中的实现允许针对各种商业上可用的设备。

FPGA允许并行处理的实现。

本文的其余部分组织如下:第二节介绍了降压和升压变换器的系统模型及其工作原理。第三节给出了降压升压变换器的电路图。第四节给出了变换器的设计方程，第五节给出了设计规范，第六节给出了仿真结果，最后在第七章给出了结论。

2系统模型

图1给出了所提出的buck-boost变换器的模型。该系统可在降压、升压和降压-升压模式下工作

上述系统的操作如下。230V/50Hz交流电作为电源。该交流电压被降压、整流和调节以获得所需的直流输入。该直流电压被给予降压升压转换器部分，该部分将该输入值转换为另一电平的输出直流电压。整个系统的主要部分是数字控制器部分，它向开关转换器发出控制信号，使其达到所需的数值。数字控制器由三个主要部分组成:模数转换器(ADC)、脉宽调制器(PWM)和补偿器。图2显示了数字控制器部分的详细块描述。

从转换器得到的输出是模拟直流电压。模拟电压需要转换为其数字等效，因为PWM只能接受数字值。将该数字值与参考值进行比较，差值作为误差信号产生，并使用适当的补偿方法(如PID)进行补偿。补偿值被赋予脉冲宽度调制器(PWM)，根据获得的控制信号调整其占空比。系统有三种运行模式:

A. Buck操作模式

当所需电压小于输入电压时，系统工作在降压模式。该电路采用降压式PWM脉冲控制。这种模式类似于DC-DC降压转换器。

B.升压操作模式。

当所需电压大于输入电压时，电路以升压模式工作。该系统由FPGA产生的boost PWM脉冲控制。在这种模式下，系统类似于DC-DC升压变换器。

C. Buck和Boost模式的组合。

当要求的电压水平接近输出电压水平时，降压和升压模式都不能达到目的，电路作为降压和升压模式的组合工作。在此模式下，系统分别由降压和升压PWM脉冲控制。

3降压升压变换器电路图

电路的工作原理是:在开状态时，输入电压源直接连接到电感器(L)上，从而在L上积累能量。在开状态时，电容为输出负载提供能量，而在关断状态时，电感器连接到输出负载和电容，能量从L传递到C和r，开关的工作由FPGA的PWM脉冲控制。

输出电压与参考电压进行比较，如果得到的电压小于所需电压，则FPGA生成升压PWM脉冲。如果获得的电压大于所需电压，则FPGA产生降压PWM脉冲。

IV.DESIGN方程

源电压VS = 20V, k为增益，应大于0.5。设k值为0.6。式(1)有助于计算输出电压。

五、变换器设计规范

根据规格，当输入电压为20V，占空比为50%时，得到的平均输出电压在50.77V至50.8125V之间。

VI.SIMULATION结果

仿真结果分别为降压升压变换器部分和PWM脉冲产生部分。主要挑战在于Matlab和Modelsim的联合仿真。为了使链接工作，必须从Matlab的命令提示符调用ModelSim。

A.降压升压转换器部分

在Matlab Simulink中实现了降压升压变换器。simulink模型如图4所示。

输入电压是通过降压变压器获得的。230v交流电被降压并整流，20V直流输入给降压升压变换器。利用Simulink库中的重复序列块给出占空比为50%的PWM脉冲。得到的输出电压约为50v DC。

用于数字控制器的PWM脉冲产生

PWM脉冲由ModelSim仿真软件生成。使用Verilog硬件描述语言进行编码。脉冲的占空比可以在30%到70%之间变化。图7为占空比为50%的PWM脉冲。

7结论

在此基础上，利用数字控制器对DC-DC buck升压变换器进行了仿真，得到了各种输出。数字控制包括三个模块;模数转换(ADC)，补偿器的设计和PWM脉冲的产生。在降压升压变换器中，控制电路驱动MOSFET的栅极。这降低了损耗，提高了变换器的效率，是通过适当的电路开关过程来实现的。这种数字控制提高了转换速度。

参考文献

Ananthan Thangavelu, varghese m.v.。和M.V.Vaidyan，“基于FPGA的DC-DC Buck变换器控制器设计平台使用HDL Co-Simulator和Xilinx系统发生器”，2012年工业电子与应用会议论文集，270-274页。
Christoforos Economakos和George Economakos，“基于c的PLC到FPGA的转换和实现:编码风格的影响”，2012年系统理论，控制与计算会议论文集，第1-6页。
Gustavo G. Parma, Venkata Dinavahi，“电力电子和驱动的实时数字硬件仿真”，电力传输，第22卷，第2期，2007年4月，第1235-1246页。
张九华，郭凤德，“基于FPGA的光伏控制系统的研究”，2009年计算机科学学术会议论文集，。页172 - 173。
Miroslaw Wlas, Marek Gackowski, Wojciech Kolbusz，“用于智能电网元素集成的以太网POWERLINK协议”，IEEE输电，2011。页2070 - 2075。
纳瓦罗。D, O. L. Gil和L. Barragan，“基于同步fpga的数字脉宽调制器的高分辨率实现”，IEEE Trans。电力电子。，第27卷，no。5，页2515-2525,2012年5月。
R. Priewasser, M. Agostinelli, S. Marsili，和M. Huemer，可变开关频率负载点dc-dc变换器的数字控制器设计，2011年3月，第47卷，no. 1。6，第374-375页。
Robert priwasser, Matteo Agostinelli, Christoph Unterrieder,Stefano Marsili和Mario Huemer，用于变频操作的DC-DC转换器的建模，控制和实现，IEEE电力电子传输，第29卷第1期，2013年6月。
Subiramoniyan。S, S. joseph Jawhar，“dc - dc Buck变换器的现代数字控制器的设计与实现”，电力电子学报，第59卷，第1期。2013年7月1日，第550-561页，2012。