基于TMS320F28335的恒流型饋能式電子負載的設計

摘要：針對電源設備出廠(chǎng)老化測試電能浪費問(wèn)題，設計了一種基于TMS320F28335DSP的恒流型饋能式電子負載描述了一種原邊帶箝位二極管的ZVS移相全橋變換器的工作特點(diǎn)，采用了一種簡(jiǎn)便易行的移相波形數字控制方法；基于DC／DC電壓前饋、DC／AC電壓電流雙環(huán)控制方法，研制出一臺3．5 kW試驗樣機。實(shí)驗結果表明：該系統性能穩定、調節速度快，能很好地滿(mǎn)足測試老化及饋網(wǎng)要求。
關(guān)鍵詞：電子負載；移相全橋ZVS；箝位二極管；TMS320F28335

隨著(zhù)電力電子技術(shù)的迅猛發(fā)展，新能源及各種節能技術(shù)的快速涌入，各類(lèi)電力電子產(chǎn)品特別是功率變換器層出不窮。顯然，傳統的電阻箱老化方法已無(wú)法滿(mǎn)足測試自動(dòng)化及節能要求。電子負載作為一種測試電源設備性能指標的新型設備，因其具有節能、控制靈活、穩定性好等優(yōu)點(diǎn)，近年來(lái)，得到了國內外學(xué)者的廣泛重視與深入研究。
目前，電子負載產(chǎn)品繁多，拓撲結構也各種各樣。但普遍存在開(kāi)關(guān)損耗大、電能利用率低、無(wú)法滿(mǎn)足隔離或饋網(wǎng)要求的缺陷，且市場(chǎng)上的電子負載大多適用于恒壓源的老化測試，無(wú)法應用于恒流源設備。
本文研制了一臺應用于恒流源設備放電測試的饋能式電子負載，該電子負載能對恒流源設備進(jìn)行測試老化和逆變饋網(wǎng)，從而實(shí)現對電能的再生利用。隨著(zhù)電動(dòng)汽車(chē)的逐漸普及，車(chē)載充電機的需求量也會(huì )增加，該電子負載無(wú)疑具有廣闊的應用前景。
文中首先闡述了饋能型電子負載的基本原理，然后分別從硬件結構和控制策略重點(diǎn)分析，最后給出了實(shí)驗參數與結果，驗證了本方案的可靠有效。

1 系統拓撲與工作原理
1．1 系統結構
恒流型饋能式電子負載主電路如圖1所示，它主要包括DC／DC直流變換器和DC／AC逆變器。DC／DC變換器需要對車(chē)載充電機進(jìn)行負載特性模擬，即模擬蓄電池的充電特性，將輸入恒流源轉換為穩定的電壓源，并實(shí)現高頻隔離。它要同時(shí)級聯(lián)充電機與逆變器，是整個(gè)系統的核心與難點(diǎn)。DC／AC逆變器通過(guò)對電網(wǎng)進(jìn)行同步檢測，將被測試電源輸出的能量無(wú)污染的回饋給電網(wǎng)。

大小。然后，通過(guò)線(xiàn)性光偶電壓采樣電路，檢測實(shí)際輸入電壓反饋值Ui，與設定值的偏差，送給PI環(huán)。最后，經(jīng)PWM調節器，當Ui>時(shí)，增大占空比；當Ui時(shí)，減小占空比。實(shí)現對占空比的調整，從而調節支撐電容的充放電時(shí)間，維持輸入電壓恒定。
在整個(gè)過(guò)程中，系統實(shí)時(shí)監控充電機輸出電流Icc與全橋電路中電流Idc。若Icc恒定，則充電機測試合格。當Idc超過(guò)電流允許值時(shí)，PWM調節器會(huì )對pwm信號進(jìn)行控制，維持系統的可靠運行。
與其他DC／DC控制方法不同的是，本實(shí)驗通過(guò)電壓前饋的方法，來(lái)實(shí)現輸出電壓的穩定，實(shí)驗結果驗證了此方法的可行性。
2．2 DC／AC控制環(huán)
逆變環(huán)節采用雙環(huán)控制，外環(huán)為逆變器直流側電壓控制環(huán)，內環(huán)為交流電流控制環(huán)。直流輸出電壓給定信和實(shí)際電壓值U0偏差值，交給PID調節器后輸出直流電流指令信號ImoIm和逆變器交流側輸入電網(wǎng)的電流幅值ia成正比，它與標準正弦波相乘后形成交流輸入電流的給定信號。與實(shí)際交流值ia的偏差值經(jīng)P比例放大后，再經(jīng)滯環(huán)控制得到spwm控制信號鎖相環(huán)PLL保證交流輸入電流的給定信號與電網(wǎng)電壓同步同相。

3 實(shí)驗結果及結論
3．1 實(shí)驗參數
本實(shí)驗以電動(dòng)汽車(chē)車(chē)載充電機作為測試老化電源，其輸出電流恒定為8 A，直流電壓變化范隔為250～450 V。恒流式直流電子負載的主要參數如下：前級選用MOSFET SPW35N-60CFD雙管并聯(lián)，開(kāi)關(guān)頻率為50 kHz：高頻變壓器參數：鐵氧體磁環(huán)，匝比1：1．5；整流二極管選用RHRG75120快恢復二極管；諧振電感Lr=12μH；隔直電容Cb=3μF；輸出濾波電感Lr=156μH；輸出濾波電容Cf=2 000μF。后級選用高頻開(kāi)關(guān)管選用MOSFET SPW35N60CFD，頻率50 kHz，低頻50 Hz，選用IGBT G80D60；LCL濾波電路參數：L2=L3=680μH，Cf2=4μF。實(shí)驗結果表明，最大功率可達3．5 kW，工作效率約為88％，工作性能良好，且能實(shí)現全正弦回網(wǎng)。
3．2 基本波形
如圖5所示，當輸入電壓設定為250V，開(kāi)關(guān)頻率為50kHz時(shí)的實(shí)驗波形。圖5(a)為功率管Q3驅動(dòng)信號及漏板電壓波形，由圖可知Q3實(shí)現了零電壓開(kāi)通與關(guān)斷。圖5(b)為變壓器原邊電壓及電流波形圖，對比理論波形圖圖2可知，電壓電流波形較理想。圖(c)為逆變器并網(wǎng)輸出側電壓電流波形圖。

4 結束語(yǔ)
文中基于TMS320F28335高精度數字控制，采用一種原邊帶箝位二極管ZVS移相全橋變換電路，級聯(lián)H橋逆變器的一種新型恒流型饋能式電子負載，經(jīng)車(chē)載充電機放電測試，驗證了數字控制系統實(shí)現的可行性，能可靠地實(shí)現軟開(kāi)關(guān)，很好的實(shí)現并網(wǎng)目標。