DC-DC變換器原理解析

系統(tǒng)采用電壓閉環(huán)控制方式，調(diào)節(jié)器采用變參數(shù)數(shù)字PI算法，實(shí)現(xiàn)了模擬系統(tǒng)難以實(shí)現(xiàn)的復(fù)雜算法和方便靈活的移相控制方案。通過一臺(tái)2 kW樣機(jī)進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的開關(guān)頻率為2 kHz。

引言

移相全橋ZVS DCDC變換器是目前應(yīng)用最廣泛的軟開關(guān)電路之一。作為一種具有優(yōu)良性能的移相全橋變換器，其兩個(gè)橋臂的開關(guān)管均在零電壓軟開關(guān)條件下運(yùn)行，開關(guān)損耗小，結(jié)構(gòu)簡單，順應(yīng)了直流電源小型化、高頻化的發(fā)展趨勢，因此在中大功率DCDC變換場合得到了廣泛應(yīng)用，而系統(tǒng)數(shù)字化控制可進(jìn)一步提高系統(tǒng)的可靠性。數(shù)字化系統(tǒng)具備完整的可編程能力，它使程序修改、算法升級、功能移植都非常容易，相對于模擬控制方式具有明顯的優(yōu)勢。DCDC變換器的數(shù)字化控制是當(dāng)前的研究熱點(diǎn)之一。本文分析了主電路原理，采用TMS320LF2407作為主控芯片實(shí)現(xiàn)了ZVS DCDC變換器的全數(shù)字控制，并給出了實(shí)驗(yàn)結(jié)果。

1 主電路拓?fù)浼肮ぷ髟?/strong>

ZVS PWMDCDC全橋變換器的主電路結(jié)構(gòu)如圖1所示，其主要波形如圖2所示。由圖1可見，電路結(jié)構(gòu)與普通雙極性PWM變換器類似。 Q1、D1 和Q4、D4組成超前橋臂、Q2、D2和Q3、D3組成滯后橋臂;C1～C4分別是Q1～Q4的諧振電容，包括寄生電容和外接電容;Lr是諧振電感，包括變壓器的漏感;T副方和DR1、DR2組成全波整流電路，Lf、Cf組成輸出濾波器，RL是負(fù)載。Q1和Q3分別超前Q4和Q2一定相位（即移相角），通過調(diào)節(jié)移相角的大小來調(diào)節(jié)輸出電壓。由圖2可見，在一個(gè)開關(guān)周期中，移相全橋ZVS PWMDCDC變換器有12種開關(guān)模態(tài)，通過控制4個(gè)開關(guān)管 Q1～Q4，在A、B兩點(diǎn)得到一個(gè)幅值為Vin的交流方波電壓;經(jīng)過高頻變壓器的隔離變壓后，在變壓器副方得到一個(gè)幅值為Vin/K的交流方波電壓，然后通過由DR1和DR2構(gòu)成的輸出整流橋，得到幅值為Vin/K的直流方波電壓。這個(gè)直流方波電壓經(jīng)過Lf和Cf組成的輸出濾波器后成為一個(gè)平直的直流電壓，其電壓值為

UO=DVin/K（D是占空比）。Ton是導(dǎo)通時(shí)間，Ts是開關(guān)周期（Ts=t12-t0）。通過調(diào)節(jié)占空比D來調(diào)節(jié)輸出電壓UO。

圖1 變換器主電路結(jié)構(gòu)

圖2 變換器主要波形

由波形圖可見，移相全橋電路控制方式的特點(diǎn)是：

① 在一個(gè)開關(guān)周期Ts內(nèi)，每個(gè)開關(guān)導(dǎo)通時(shí)間都略小于Ts/2，而關(guān)斷時(shí)間略大于Ts/2。

② 同一個(gè)半橋中，上、下兩個(gè)開關(guān)不能同時(shí)處于開通狀態(tài)，每個(gè)開關(guān)關(guān)斷到另一個(gè)開關(guān)開通都要經(jīng)過一定的死區(qū)時(shí)間。

③ 比較互為對角的兩對開關(guān)管Q1、Q4和Q2、Q3的開關(guān)函數(shù)波形，Q1的波形比Q4的波形超前0~ Ton/2時(shí)間，Q2的波形比Q3的波形超前0~ Ton/2時(shí)間，因此Q1和Q2為超前橋臂， Q3和Q4為滯后橋臂。

2 控制芯片TMS320LF2407A

TMS320LF2407A是TI公司設(shè)計(jì)的一種數(shù)字信號處理器，具有接口方便、編程簡單、穩(wěn)定性好、精度高、方便以及可重復(fù)性等優(yōu)點(diǎn)。TMS320LF2407A部分功能如下：

① 工作電壓3.3 V，有4種低功耗工作方式。電路設(shè)計(jì)時(shí)需考慮電平轉(zhuǎn)換，不要超過DSP的工作電壓。

② 單指令周期最短為25 ns（40 MHz），最高運(yùn)算速度可達(dá)40MIPS，四級指令執(zhí)行流水線。低功耗，有利于電池供電的場合;而高速度非常適用于電動(dòng)機(jī)的實(shí)時(shí)控制。

③ 擁有2個(gè)專用于電動(dòng)機(jī)控制的事件管理器（EV），每一個(gè)都包含：2個(gè)16位通用定時(shí)器，8個(gè)16位脈寬調(diào)制（PWM）輸出通道，1個(gè)能夠快速封鎖輸出的外部引腳/PDPINTx（其狀態(tài)可從COMCONx寄存器獲得），可防止上下橋臂直通的可編程死區(qū)功能，3個(gè)捕捉單元，1個(gè)增量式光電位置編碼器接口。

④ 16通道10位A/D轉(zhuǎn)換器，具有可編程自動(dòng)排序功能，4個(gè)啟動(dòng)A/D轉(zhuǎn)換的觸發(fā)源，最快A/D轉(zhuǎn)換時(shí)間為375 ns。

⑤ 控制器局域網(wǎng)（CAN）2.0B模塊。

⑥ 串行接口SPI和SCI模塊。

⑦ 基于鎖相環(huán)的時(shí)鐘發(fā)生器（PLL）。

⑧ 41個(gè)通用I/O引腳。

⑨ 32位累加器和32位中央算術(shù)邏輯單元（CALU）;16位×16位并行乘法器，可實(shí)現(xiàn)單指令周期的乘法運(yùn)算;5個(gè)外部中斷。

⑩ 1149.11990 IEEE標(biāo)準(zhǔn)的JTAG仿真接口。

很寬的工作溫度范圍，普通級為-40～85 ℃，特殊級為-40～125 ℃。

3 系統(tǒng)的數(shù)字實(shí)現(xiàn)

圖3為變換器硬件結(jié)構(gòu)框圖。由圖可見，系統(tǒng)采用閉環(huán)控制方式，將變換器兩側(cè)的電壓、電流經(jīng)霍爾檢測電路檢測并轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的電壓信號進(jìn)行濾波，所得的反饋信號一方面送入DSP片內(nèi)進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換后進(jìn)行閉環(huán)控制運(yùn)算，同時(shí)送到故障保護(hù)電路。本系統(tǒng)電壓環(huán)采用PI調(diào)節(jié)器。數(shù)字PI調(diào)節(jié)器根據(jù)給定值和反饋信號值進(jìn)行偏差調(diào)節(jié)，其輸出結(jié)果決定了超前、滯后臂之間PWM驅(qū)動(dòng)波形移相角的大小，從而使控制量跟蹤給定量;DSP發(fā)出的驅(qū)動(dòng)信號經(jīng)電平轉(zhuǎn)換電路進(jìn)行電平轉(zhuǎn)換后，送到驅(qū)動(dòng)芯片M57962L形成最終的IGBT驅(qū)動(dòng)信號。故障保護(hù)電路則對電流、電壓反饋信號進(jìn)行判斷、處理，在故障發(fā)生時(shí)給出故障信號并從軟件上置 PWM為無效方式，硬件上立即封鎖IGBT驅(qū)動(dòng)，對系統(tǒng)進(jìn)行保護(hù)。數(shù)碼管顯示電路由帶SPI接口的MAX7219和多位數(shù)碼管組成。MAX7219適合標(biāo)準(zhǔn)的SPI通信方式，同時(shí)還具有譯碼、驅(qū)動(dòng)及數(shù)據(jù)鎖存功能。每片MAX7219能以掃描方式對4位數(shù)碼管進(jìn)行智能化管理，大大降低了微處理器用于實(shí)時(shí)顯示的時(shí)間。

圖3 變換器硬件結(jié)構(gòu)框圖

3.1 基于DSP的直接移相脈沖生成方法

移相是滯后臂驅(qū)動(dòng)相對于超前臂驅(qū)動(dòng)之間的一個(gè)周期性延時(shí)，其延時(shí)角即為移相角。設(shè)PWM1/PWM2驅(qū)動(dòng)超前臂開關(guān)管，PWM3/PWM4驅(qū)動(dòng)滯后臂開關(guān)管，每個(gè)橋臂上下兩管之間的驅(qū)動(dòng)互補(bǔ)且?guī)绤^(qū)。在實(shí)現(xiàn)中

圖4 基于DSP的直接移相脈沖生成方法

可以固定超前臂的驅(qū)動(dòng)在每一周期的T0時(shí)刻發(fā)出，那么只要延遲移相角Φ對應(yīng)的時(shí)間再發(fā)生全比較事件則可以得到滯后臂的驅(qū)動(dòng)，可以實(shí)現(xiàn)0°～180°范圍內(nèi)的自由移相。由圖4可見，定時(shí)器T1的計(jì)數(shù)方式為連續(xù)增減模式，在計(jì)數(shù)器T1CNT=0和T1CNT=T1PR時(shí)分別更新CMPR1和CMPR2的值，這一過程可以分別在T1的下溢中斷和周期中斷中完成。設(shè)移相角Φ對應(yīng)的延遲時(shí)間為Td，顯然在0～T/2、T/2～T時(shí)間段內(nèi)，CMPR1、CMPR2值的關(guān)系可分別表示如下：

這種脈沖生成方法只需用到DSP的PWM1～PWM4的4個(gè)口，而且可以利用死區(qū)設(shè)置寄存器可編程地直接設(shè)置死區(qū)，因此非常靈活方便，簡單可靠。

3.2 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)軟件主要有主程序和中斷服務(wù)程序兩大部分。主程序主要是完成系統(tǒng)初始化、開關(guān)機(jī)檢測、開關(guān)機(jī)初始化，然后進(jìn)入主程序循環(huán)等待中斷，圖5為主程序流程。中斷服務(wù)程序包括周期中斷程序、下溢中斷程序等。在周期中斷程序中完成讀取電壓采樣值、數(shù)字濾波、實(shí)施控制算法、啟動(dòng)電流A/D轉(zhuǎn)換、調(diào)節(jié)器運(yùn)算程序等工作。如果系統(tǒng)出現(xiàn)故障，則外部硬件產(chǎn)生信號去封鎖脈沖放大和整形電路，同時(shí)產(chǎn)生信號送DSP，產(chǎn)生中斷封鎖脈沖輸出。為了達(dá)到更好的控制效果，調(diào)節(jié)器采用變參數(shù)數(shù)字PI算法，其控制思想是按照電壓誤差e（k）的正、負(fù)及上升、下降趨勢，將反饋電壓一個(gè)周期的波動(dòng)分為6個(gè)區(qū)間，在不同的區(qū)間調(diào)用不同的 PI參數(shù)，從而實(shí)現(xiàn)最佳PI 調(diào)節(jié)，其數(shù)學(xué)表達(dá)式為：

其程序流程如圖6所示。

圖5 主程序流程 圖6 變參數(shù)PI算法流程

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

根據(jù)前述方案搭建了實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，實(shí)驗(yàn)中采用三菱公司的智能功率模塊（IPM）PM200DSA120作為逆變器的主開關(guān)器件。它抗干擾能力強(qiáng)、開關(guān)速度較快，功耗較低，具有驅(qū)動(dòng)電源欠壓保護(hù)、橋臂對管互鎖保護(hù)、 過流保護(hù)以及過熱保護(hù)等功能。開關(guān)頻率為fs=10 kHz，開通時(shí)間為ton=1.4 μs，關(guān)斷時(shí)間為toff=2.0 μs。實(shí)驗(yàn)波形如圖7至圖9所示。圖7為 PWM1、PWM2的互補(bǔ)波形，由圖可知，它們之間存在死區(qū)，該死區(qū)是可編程的，可根據(jù)實(shí)際情況來確定。圖8為PWM1、PWM3之間的移相15°的波形，該移相角可通過程序來控制，根據(jù)給定及負(fù)載的大小進(jìn)行自動(dòng)調(diào)節(jié)。圖9為T1管的驅(qū)動(dòng)波形，正電壓大約為15 V，負(fù)電壓大約為9 V。

圖7 PWM1、PWM2的互補(bǔ)波形

圖8 PWM1、PWM3移相15°波形

圖9 IGBT的驅(qū)動(dòng)波形

5 結(jié)論

本文研究的是移相全橋全數(shù)字ZVS DC/DC變換器，具體分析了它的工作原理，給出了其數(shù)字實(shí)現(xiàn)方案，并進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果說明了方案的可行性?；贒SP的移相全橋全數(shù)字ZVS DC/DC變換器結(jié)構(gòu)簡單，工作可靠，易于實(shí)現(xiàn)，調(diào)試方便，功能完善，動(dòng)靜態(tài)性能與模擬變換器一樣好，有很好的應(yīng)用前景。