移相全橋的控制模型的建立和仿真

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轉自:http://bbs.21dianyuan.com/forum.php?mod=viewthread&tid=226811 (這篇真是太棒啦)

如果對傳統PWM控制器的的控制和仿真有興趣,就看這個帖子:http://bbs.21dianyuan.com/thread-233455-1-1.html 
   如果對移相全橋控制和仿真感興趣,就看下文啦。
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  備註:感謝 ailuer_shijidianyuan 的指點,現在已修正控制邏輯的問題。2015/10/21 
   昨天晚上根據UCC3895的數據手冊,搞出了超前橋的對稱驅動和可調死區時間後。想接下來的問題,就是怎麼實現滯後橋的發波和如何實現閉環控制。但是在開始研究滯後橋發波之前,應該先將超前橋的發波搞清楚。


  1、            頻率和時鐘設定
        

      (圖1 頻率和時鐘信號的產生)

   由在RT引腳外接的電阻,限制了對CT電容充電的電流。可在CT電容上產生一個固定頻率的三角波。然後將這個三角波同兩個電壓進行比較,由RS觸發器產生時鐘信號。其中經過反相門的#CLOCK時鐘,在後面的電路中作爲週期時鐘信號。用來限制PWM的寬度,簡單的講就是當#CLOCK由高到低>低到高時。PWM必須關閉,並開始新的週期。因爲這個#CLOCK送到DFFRS觸發器U6的CLK引腳,這個信號是要上升沿觸發。所以可以看到#CLOCK從低到高變化,即上升沿時,DFFRS觸發器發出一個新的波,可見下圖。

   

   (圖2 #CLOCK 是如何作用用滯後橋的)

 

  2、            滯後橋的開關

             

                 (圖3 #CLOCK 決定了週期的長度)

   首先#CLOCK送到DFFSR觸發器U6的CLK腳,這個觸發器的R爲LOW,D接#Q,S在上電時保持爲LOW。那麼Q和#Q的輸出長度就等於#CLOCK的週期長度。Q和#Q 作爲互補對稱的方波輸出到DELAY電路,在IC內部可以通過電阻來調節死區時間的長度,參見圖2。如果是仿真可以不必理會這裏的電路,我們更關注核心控制部分。這個觸發器U6的輸出Q對應着滯後橋的驅動A,#Q對應着滯後橋驅動B。

 

3、            超前橋的開關

   在考慮實現超前橋的驅動時,非常有必要理解(A和D // B和C)的重疊長度和PWM比較器的關係。我在UCC2895的手冊裏看到了一張邏輯非常清晰的時序圖,從這個圖可以很簡單的理順超前 // 滯後橋的控制與反饋的關係。 
        
              (圖4 滯後橋的閉環控制)
 

   A&B爲互補對稱的滯後橋,C&D爲超前橋。COMP爲PWM比較器的同相輸入,是誤差放大器的輸出。其反相輸入,可以接CT電容上的斜坡電壓做電壓模式控制,也可以連接原邊電流做峯值電流模式控制。但其目的都是,讓COMP電壓控制斜坡電壓的高度,而決定了兩路對角驅動信號重疊時間的長度,也就是決定副邊電感上的佔空比。下圖是PWM比較器E5的輸出和副邊電感L3上的電壓波形,可以明顯的瞭解驅動信號重疊時間和副邊電感上的佔空比的關係。

          

    (圖5 PWM比較器的輸出和副邊電感的電壓波形)

 

   從圖4第三排的PWM信號的寬度,可以看出對滯後橋的影響。從上往下來看,不難發現PWM信號的寬度就是(C對A 或 D對B)的滯後時間,也就是A先開通後,C延遲多久開通(C爲高則D爲低)。那麼就產生了A和D對角驅動的重疊時間長度,這個重疊的時間長度就是加到副邊電感上的佔空比。

   如果我們讓滯後橋A&B發波(A爲HI),在設置一個電路讓C爲LOW(D則爲HI,因爲是C和D是觸發器的兩個輸出Q和#Q,兩者邏輯相反)。只有當PWM比較器發出的高電平PWM_FLAG後(表示對角驅動信號的重疊時間結束),C&D中的C才從LOW轉變爲HI(而D也就變爲LOW,實現了超前橋的關斷)。而且C&D必須同時服從一個週期的長度。然後再插入合適的死區時間,這樣不就實現了用誤差放大器,對C&D與A&B的驅動信號重疊時間長度的控制嗎?也就能成功實現閉環。那麼,下面我們將看看UCC3895是如何實現這些功能的。

       

                 (圖6  滯後長度和閉環控制)

 

   先從PWM比較器E5開始吧,誤差放大器的輸出連接(Verr)到PWM比較器E5的同相輸入端(+)。RAMP引腳連接到比較器的反相輸入端(-)。(這個RAMP引腳上前文已經說過,可以接CT做電壓模式,可接CS做峯值電流控制)。不論控制模式如何,PWM比較器的輸出是送到一個與非門U11A。這個與非門的輸入信號還有:

   1、CS比較器發出的過流信號(OCP),當CS電壓高於2V後,發出HI到這個與非門(可以強制關閉當前脈寬)。
   2、PWM比較器E5的輸出。做脈寬調製用,非常重要。
   3、#CLOCK,週期時鐘信號。保持系統頻率一致。

   在此,我們不難想到一個典型的工作狀態:在一個新週期的開始(假設是峯值電流模式):
  1、 Verr電壓比CS電壓高,PWM比較器輸出爲HI。
  2、 過流保護比較器,VCS電壓也低於2V,其輸出也爲HI,
  3、而週期時鐘信號#CLOCK,此時也爲HI。    那麼這個與非門U11A的輸入是3個HI,輸出是LOW。   此時 A爲高,B爲低。C爲低,D爲高。全橋的A>D對角驅動信號同時爲高,向副邊傳遞電流。

 

  

               

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2015-10-16 22:28 上傳

(圖7 控制滯後橋的DFFRS觸發器和兩個關鍵的與非門)

控制超前橋的DFFRS觸發器U14的D和CLK被強制爲低,其輸出就只看R和S的輸入了。可以這樣簡單的理解:當R =LOW ,S = HI , Q = HI, #Q = LOW。當R = HI ,S = LOW ,Q = LOW, #Q= HI。
   現在可以重點關注這裏了,因爲馬上就接解開如何移相的難題。首先要考慮的是當PWM比較器的輸出由HI轉到LOW時候(峯值電流VCS高於Verr,此時需要立即關閉PWM信號)。這個三輸入的與非門U11A,其中一個輸入PWM比較器E5的輸出就從HI轉爲LOW,它U11A的輸出也會從LOW轉爲HI。
   控制超前橋的觸發器U14:其R引腳輸入有一個與門U13B,與門的一個輸入是U11A的輸出,此時的狀態是HI。另外一個輸入連接到滯後橋的#Q(也就是驅動B)。此時滯後橋的觸發器的輸出Q爲HI (驅動A 爲高),#Q爲LOW(驅動B 爲低)。那該與門U13B的兩個輸入腳的狀態是:1、#Q爲LOW(驅動B爲低),2、H。則與門U13B的輸出爲LOW。此時超前橋觸發器U14的R引腳 = LOW。可見圖8。
    
(圖8 控制滯後橋的DFFRS觸發器的R腳的工作波形) 
  再來看看該觸發器U14的S引腳,S的輸入也有一個與門U13A。該與門的兩個輸入爲:1、與門的一個輸入是U11A的輸出,此時的狀態是HI。2、連接到滯後橋的驅動信號A,此時滯後橋觸發器U6的輸出的Q = H (驅動A爲高)。則與門U13A的輸出爲 H,超前橋觸發器U14的S腳爲 H。 見圖9。
    
(圖9 控制滯後橋的DFFRS觸發器的S腳的工作波形) 
   當PWM比較器E5輸出信號由H轉LOW時(需要結束A&D 或 B&C 的重疊時間),超前橋DFFRS觸發器U14的輸入是:R  = LOW , S = HI。輸出則是Q =HI (C 開通), #Q =LOW (D 關閉),對應着結束了A和D的驅動重疊時間。然而等到一個週期結束時,滯後橋的驅動A&B,由時鐘信號#CLOCK重置。
    超前橋的關閉的標誌,是由 PWM比較器E5的輸出由高轉低,控制的與門U13A輸出LOW轉爲HI時。
    滯後橋的關閉標誌,是時鐘信號#CLOCK改變滯後橋觸發器U6的輸入,將A和B的的信號互換。意味這一個週期的開始和結束。見圖10。
 
  (圖 10控制滯後橋的觸發器的工作狀況) 

  所以, 根據上述的內容,我們可以建立以下模型:
    
    (圖11 仿真模型)
  
模型功能和解釋:
  1、CT定電流充電產生三角波直接由三角波電壓源代替,通過比較器和觸發器產生時鐘信號。
  2、U6 輸出互補對稱的方波,沒有死區時間。
  3、四路死區時間延遲電路,注意輸出是AND門,意味這由觸發器的發出的信號關閉時,驅動級DRVABCD都必須關閉。這個AND門用的好!
  4、誤差放大器和PWM比較器。很簡單不必多說。
  5、滯後橋的SR觸發器,其工作過程上文已經講了許多。

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