全數字DC-DC變換器研究

　　引 言

　　移相全橋ZVS DC-DC變換器是目前應用最廣泛的軟開(kāi)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(kāi)關(guān)管均在零電壓軟開(kāi)關(guān)條件下運行，開(kāi)關(guān)損耗小，結構簡(jiǎn)單，順應了直流電源小型化、高頻化的發(fā)展趨勢，因此在中大功率DC-DC變換場(chǎng)合得到了廣泛應用，而系統數字化控制可進(jìn)一步提高系統的可靠性。數字化系統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。DC-DC變換器的數字化控制是當前的研究熱點(diǎn)之一。本文分析了主電路原理，采用TMS320LF2407作為主控芯片實(shí)現了ZVS DC-DC變換器的全數字控制，并給出了實(shí)驗結果。

　　1 主電路拓撲及工作原理

　　ZVS PWM DC-DC全橋變換器的主電路結構如圖1所示，其主要波形如圖2所示。由圖1可見(jiàn)，電路結構與普通雙極性PWM變換器類(lèi)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，R1是負載。Q1和Q3分別超前Q4和Q2一定相位(即移相角)，通過(guò)調節移相角的大小來(lái)調節輸出電壓。由圖2可見(jiàn)，在一個(gè)開(kāi)關(guān)周期中，移相全橋ZVS PWM DC-DC變換器有12種開(kāi)關(guān)模態(tài)，通過(guò)控制4個(gè)開(kāi)關(guān)管Q1～Q4在A(yíng)、B兩點(diǎn)得到一個(gè)幅值為Vin的交流方波電壓;經(jīng)過(guò)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(guò)由DR1和DR2構成的輸出整流橋，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(guò) 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是導通時(shí)間Ts是開(kāi)關(guān)周期(T=t12- t0)。通過(guò)調節占空比D來(lái)調節輸出電壓Uo。

　　由波形圖可見(jiàn)，移相全橋電路控制方式的特點(diǎn)是：

　?、僭谝粋€(gè)開(kāi)關(guān)周期Ts內，每個(gè)開(kāi)關(guān)導通時(shí)間都略小于Ts/2，而關(guān)斷時(shí)間略大于Ts/2。

　?、谕粋€(gè)半橋中，上、下兩個(gè)開(kāi)關(guān)不能同時(shí)處于開(kāi)通狀態(tài)，每個(gè)開(kāi)關(guān)關(guān)斷到另一個(gè)開(kāi)關(guān)開(kāi)通都要經(jīng)過(guò)一定的死區時(shí)間。

　?、郾容^互為對角的兩對開(kāi)關(guān)管Q1、Q4和Q2、Q3的開(kāi)關(guān)函數波形，Q1的波形比Q4的波形超前O～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。

　　引 言

　　移相全橋ZVS DC-DC變換器是目前應用最廣泛的軟開(kāi)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(kāi)關(guān)管均在零電壓軟開(kāi)關(guān)條件下運行，開(kāi)關(guān)損耗小，結構簡(jiǎn)單，順應了直流電源小型化、高頻化的發(fā)展趨勢，因此在中大功率DC-DC變換場(chǎng)合得到了廣泛應用，而系統數字化控制可進(jìn)一步提高系統的可靠性。數字化系統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。DC-DC變換器的數字化控制是當前的研究熱點(diǎn)之一。本文分析了主電路原理，采用TMS320LF2407作為主控芯片實(shí)現了ZVS DC-DC變換器的全數字控制，并給出了實(shí)驗結果。

　　1 主電路拓撲及工作原理

　　ZVS PWM DC-DC全橋變換器的主電路結構如圖1所示，其主要波形如圖2所示。由圖1可見(jiàn)，電路結構與普通雙極性PWM變換器類(lèi)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，R1是負載。Q1和Q3分別超前Q4和Q2一定相位(即移相角)，通過(guò)調節移相角的大小來(lái)調節輸出電壓。由圖2可見(jiàn)，在一個(gè)開(kāi)關(guān)周期中，移相全橋ZVS PWM DC-DC變換器有12種開(kāi)關(guān)模態(tài)，通過(guò)控制4個(gè)開(kāi)關(guān)管Q1～Q4在A(yíng)、B兩點(diǎn)得到一個(gè)幅值為Vin的交流方波電壓;經(jīng)過(guò)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(guò)由DR1和DR2構成的輸出整流橋，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(guò) 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是導通時(shí)間Ts是開(kāi)關(guān)周期(T=t12- t0)。通過(guò)調節占空比D來(lái)調節輸出電壓Uo。

　　由波形圖可見(jiàn)，移相全橋電路控制方式的特點(diǎn)是：

　?、僭谝粋€(gè)開(kāi)關(guān)周期Ts內，每個(gè)開(kāi)關(guān)導通時(shí)間都略小于Ts/2，而關(guān)斷時(shí)間略大于Ts/2。

　?、谕粋€(gè)半橋中，上、下兩個(gè)開(kāi)關(guān)不能同時(shí)處于開(kāi)通狀態(tài)，每個(gè)開(kāi)關(guān)關(guān)斷到另一個(gè)開(kāi)關(guān)開(kāi)通都要經(jīng)過(guò)一定的死區時(shí)間。

　?、郾容^互為對角的兩對開(kāi)關(guān)管Q1、Q4和Q2、Q3的開(kāi)關(guān)函數波形，Q1的波形比Q4的波形超前O～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。

　　3.1 基于DSP的直接移相脈沖生成方法

　　移相是滯后臂驅動(dòng)相對于超前臂驅動(dòng)之間的一個(gè)周期性延時(shí)，其延時(shí)角即為移相角。設PWM1/PWM2驅動(dòng)超前臂開(kāi)關(guān)管，PWM3/PWM4驅動(dòng)滯后臂開(kāi)關(guān)管，每個(gè)橋臂上下兩管之間的驅動(dòng)互補且帶死區。在實(shí)現中可以固定超前臂的驅動(dòng)在每一周期的T0時(shí)刻發(fā)出，那么只要延遲移相角φ對應的時(shí)間再發(fā)生全比較事件則可以得到滯后臂的驅動(dòng)，可以實(shí)現O°～180°范圍內的自由移相。由圖4可見(jiàn)，定時(shí)器T1的計數方式為連續增減模式，在計數器T1CNT=0和 T1CNT=T1PR時(shí)分別更新CMPR1和CMPR2的值，這一過(guò)程可以分別在T1的下溢中斷和周期中斷中完成。設移相角φ對應的延遲時(shí)間為T(mén)d，顯然在0～T/2、T/2～T時(shí)間段內，CMPR1、CMPR2值的關(guān)系可分別表示如下：

　　Kp2，其程序流程如圖6所示。

　　4 實(shí)驗結果

　　根據前述方案搭建了實(shí)驗系統，實(shí)驗中采用三菱公司的智能功率模塊(IPM)PM200DSA120作為逆變器的主開(kāi)關(guān)器件。它抗干擾能力強、開(kāi)關(guān)速度較快，功耗較低，具有驅動(dòng)電源欠壓保護、橋臂對管互鎖保護、過(guò)流保護以及過(guò)熱保護等功能。開(kāi)關(guān)頻率為fs=10 kHz，開(kāi)通時(shí)間為ton。=1.4μs，關(guān)斷時(shí)間為toff=2.Oμs。實(shí)驗波形如圖7至圖9所示。圖7為PWM1、PWM2的互補波形，由圖可知，它們之間存在死區，該死區是可編程的，可根據實(shí)際情況來(lái)確定。圖8為PWM1、PWM3之間的移相15°的波形，該移相角可通過(guò)程序來(lái)控制，根據給定及負載的大小進(jìn)行自動(dòng)調節。圖9為T(mén)1管的驅動(dòng)波形，正電壓大約為15 V，負電壓大約為9 V。

　　5 結 論

　　本文研究的是移相全橋全數字ZVS DC/DC變換器，具體分析了它的工作原理，給出了其數字實(shí)現方案，并進(jìn)行了實(shí)驗。實(shí)驗結果說(shuō)明了方案的可行性?；贒SP的移相全橋全數字ZVS DC/DC變換器結構簡(jiǎn)單，工作可靠，易于實(shí)現，調試方便，功能完善，動(dòng)靜態(tài)性能與模擬變換器一樣好，有很好的應用前景。