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西门子PLC模块6ES7313-6BG04-0AB0

产品简介:西门子PLC模块6ES7313-6BG04-0AB0
BCM的问题和解决
●BCM的特点是输出功率越低,切换频率越高,如果电源本身需要在较大的输出功率内切换,比如调光,需要在1%-100%之内切换,开关管的切换频率也需要接近100倍的变化范围。
★这么大的变化范围是无法实现的,无论是MOS还是电感,都不可能在这么大的切换频率内始终保持工作状态。
●解决方法是在每个周期插入死区等待时间

更新时间:2022-12-12
浏览次数:279
厂商性质:代理商
详情介绍
品牌Siemens/西门子应用领域化工,电子,电气
产地德国品牌西门子

西门子PLC模块6ES7313-6BG04-0AB0

3种模式的对比

●这三种模式,其本质上的区分是流过电感的电流。

★CCM,电感电流是连续的;

★BCM,电感电流不连续,但不会持续为0;

★DCM,电感电流有持续为0的时候。

●从电源功率来说:CCM > BCM > DCM。

★理论上来说,高功率的也可以用于低功率,但CCM的控制环路存在巨大缺陷,无法做到高切换频率,因此在小功率段通常是不使用CCM的。

BCM的实现方法

●要让BCM的平均电流为正弦,需要两个条件:

★流过电感的电流的峰值包络为正弦;

★输入平均电流和电感峰值成比例。

●对于第二个条件,除了boost外,其他拓扑都做不到,如下图所示:

★Boost拓扑在整个周期内都有输入电流,平均电流正好是包络电流的1/2,而对于其他拓扑,只有在TON时间内,输入电流才有,Toff时间内输入电流为0,这样就导致平均电流和峰值电流并不是一个固定的比例关系。

Boost实现BCM的方法

●电路需要得到2个时间点,当前周期的TON结束和当前周期的TOFF结束的时刻。

★当前周期的TON结束由电流峰值比较器来检测,而TOFF的结束由过零比较器来检测。

导通时间的问题

●仔细观察BCM,可以看到导通时间貌似是恒定的,这个不是故意画得一样,而是有原因的

●电感上的电流可以用如下公式来表示:

●这个公式可以看到,电感上的电流直线上升,上升斜率取决于输入电压,而上升的终点同样取决于输入电压,这样就导致导通时间最终和输入电压无关了。

PFC方法的改进-固定导通时间

●又前面的分析可知,Boost实现PFC后,导通时间变成恒定了,那么反过来,一上来就将导通时间设成恒定,是不是也能实现PFC,答案是肯定的。

★改进后,就成了主动固定导通时间,因而省掉了峰值电流比较电路。

★固定导通时间是目前非常主流的PFC技术,适合用数字控制,计数器产生固定宽度的正脉冲,每次过零比较器检测到退磁点,便产生一个正脉冲。

西门子PLC模块6ES7313-6BG04-0AB0

PFC电源调整输出电压的方法

●很多电源都有稳压的需求,所谓稳压实际上就是调整电源传递的能量,对于固定导通时间来说,调整峰值电流的包络线就可以调整平均电流,也就调整了输入功率,进而调整了输出电压。

★因为输入电压为AC,总是不变的,因此电感上电流斜率是不变的,缩放包络线后,相当于改变了峰值电流比较器的阈值,电感上的电流三角波会变化,包络线越矮,平均电流越小,输出功率越低,TON时间越短,开关的切换频率越高。

输出稳压的方法

●由前面的分析可知,要调整输出电压,只需要调整TON即可,因此将输出电压反馈回来,调整TON即可。

BCM的问题和解决

●BCM的特点是输出功率越低,切换频率越高,如果电源本身需要在较大的输出功率内切换,比如调光,需要在1%-100%之内切换,开关管的切换频率也需要接近100倍的变化范围。

★这么大的变化范围是无法实现的,无论是MOS还是电感,都不可能在这么大的切换频率内始终保持工作状态。

●解决方法是在每个周期插入死区等待时间,使BCM变成DCM模式。

加入死区等待的DCM

●如果需要降低输入电流,可以不调整TON ,但是在每个切换周期后面增加等待时间,输入电流降低越多,等待时间越长,在TON不变的情况下,输入电流越低,频率越低。

★如果调整范围不大的话,加入死区等待就足够了,如果调整范围大的话,可以结合死区等待和包络线调整,或者以一个为主,另一个为辅,比如以包络线为主,死区等待为辅,或者使用两个技术实现更精细的调整。

--数字控制的方式,TON的最小调整粒度为1个TCLK ,而引入死区等待(补偿)后,最下调整粒度可以高于一个TCLK。

结合死区等待后的稳压算法

●同时使用调节TON和TDEAD后,控制算法会变得复杂,一种算法思路如下:

★以TON为主来调节输出功率,通过TON调节包络线的高度,TDEAD存在是为了调节频率,这样就得到了2种方法:

--先调TON , TON调不动了后再调TDEAD ,或者先调TDEAD,再调TON;

--先调TON , TON调不动了后再调TDEAD ,或者先调TDEAD,再调TON;

对比几种算法

●从开发难度来说,一次调一个参数肯定比一次调多个参数要简单,但一次调多个参数可以实现更丰富的算法,比如对参数进加权,就可以实现不同的曲线效果,甚至可以做到自始至终切换频率不变。

★注意到两个参数的曲线总是不同趋势的, TON增加,切换频率降低,而TDEAD减少,切换频率升高,因此理论上可以做到切换频率不变。

死区时间的多周期均衡关系

●在BCM情况下,平均电流天然就是正弦,而引入死区等待后,变成DCM,平均电流不再能天然正弦,这个时候需要使用数字算法来均衡每个周期的TDEAD,使平均电流依然既能保持正弦形状。

★所谓均衡,就是指插入到各个周期内的TDEAD保持一定的关系。

●均衡算法的开发思路如下:

扩展到其他拓扑

●前面分析过,Boost相比其他拓扑的优势在于TON和TON都有输入电流,但引入死区时间后,TDEAD还是没有电流,此时Boost相比其他拓扑的优势实际上没有了,因此可以使用任何拓扑来实现PFC。

●假设依然使用固定导通时间,其他拓扑的TDEAD均衡算法开发思路如下:

PFC和恒流的冲突

●前面都是通过调节输出电压来调整输出功率,但很多应用中是通过调节输出电流来调整输出功率的,这就给PFC带来了很大的一个难题。

★稳压和稳流最大的不同,在于稳压只需要保证很长一段时间内平均输出电压恒定即可,而目前的稳流技术则需要使得每个切换周期的电流都保持恒定。

--为什么电压可以看一段时间平均电压,因为负载端都带有大电容,这个电容上的电压就是一段时间内的平均电压,将这个电压采样反馈到输入,就可以调节平均电压。

--而电流则不行,目前没有方法能让每个周期电流都变化,而平均电流在一段时间内保持恒定,因为没有办法来采样一段时间内的平均电流。

●PFC要求电流为正弦状,也就是每个周期都不一样,而恒流要求电流每个周期都一样,这样就形成了一对不可调和的矛盾。

解决PFC和恒流的冲突

●目前没有看到有很好的方法能够简单的同时提高PF和恒流精度,已知的几种方法如下:

★采样2级方案,第一级为Boost,实现高PF,第二级实现恒流,这样就避开了两者的冲突,但缺点是成本高;

★采用切分周期的方法,将一个AC周期分成多个时间段,一些时间做PFC,另一些时间做恒流,如下图所示,这样可以单级实现,但效果相比2级就要差一些了。

●对于大功率,成本不敏感的场合来说,使用2级方案是很合适的,但对于成本敏感的场合,就需要下很大的功夫来进行优化了。


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