DC-DC變換器原理解析

　　系統采用電壓閉環(huán)控制方式，調節器采用變參數數字PI算法，實(shí)現了模擬系統難以實(shí)現的復雜算法和方便靈活的移相控制方案。通過(guò)一臺2 kW樣機進(jìn)行了實(shí)驗，實(shí)驗系統的開(kāi)關(guān)頻率為2 kHz。

　　引言

　　移相全橋ZVS DCDC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DCDC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。DCDC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 DCDC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 DCDC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，RL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 DCDC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（Ts=t12-t0）。通過(guò)調節占空比D來(lái)調節輸出電壓UO。

　　圖1 變換器主電路結構

　　圖2 變換器主要波形

　　由波形圖可見(jiàn)，移相全橋電路控制方式的特點(diǎn)是：

　?、?在一個(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。

　?、?同一個(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。

　?、?比較互為對角的兩對開(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公司設計的一種數字信號處理器，具有接口方便、編程簡(jiǎn)單、穩定性好、精度高、方便以及可重復性等優(yōu)點(diǎn)。TMS320LF2407A部分功能如下：

　?、?工作電壓3.3 V，有4種低功耗工作方式。電路設計時(shí)需考慮電平轉換，不要超過(guò)DSP的工作電壓。

　?、?單指令周期最短為25 ns（40 MHz），最高運算速度可達40MIPS，四級指令執行流水線(xiàn)。低功耗，有利于電池供電的場(chǎng)合;而高速度非常適用于電動(dòng)機的實(shí)時(shí)控制。

　?、?擁有2個(gè)專(zhuān)用于電動(dòng)機控制的事件管理器（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功能，3個(gè)捕捉單元，1個(gè)增量式光電位置編碼器接口。

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

　?、?控制器局域網(wǎng)（CAN）2.0B模塊。

　?、?串行接口SPI和SCI模塊。

　?、?基于鎖相環(huán)的時(shí)鐘發(fā)生器（PLL）。

　?、?41個(gè)通用I/O引腳。

　?、?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)現單指令周期的乘法運算;5個(gè)外部中斷。

　?、?1149.11990 IEEE標準的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 系統的數字實(shí)現

　　圖3為變換器硬件結構框圖。由圖可見(jiàn)，系統采用閉環(huán)控制方式，將變換器兩側的電壓、電流經(jīng)霍爾檢測電路檢測并轉換成相應的電壓信號進(jìn)行濾波，所得的反饋信號一方面送入DSP片內進(jìn)行A/D轉換后進(jìn)行閉環(huán)控制運算，同時(shí)送到故障保護電路。本系統電壓環(huán)采用PI調節器。數字PI調節器根據給定值和反饋信號值進(jìn)行偏差調節，其輸出結果決定了超前、滯后臂之間PWM驅動(dòng)波形移相角的大小，從而使控制量跟蹤給定量;DSP發(fā)出的驅動(dòng)信號經(jīng)電平轉換電路進(jìn)行電平轉換后，送到驅動(dòng)芯片M57962L形成最終的IGBT驅動(dòng)信號。故障保護電路則對電流、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(wú)效方式，硬件上立即封鎖IGBT驅動(dòng)，對系統進(jìn)行保護。數碼管顯示電路由帶SPI接口的MAX7219和多位數碼管組成。MAX7219適合標準的SPI通信方式，同時(shí)還具有譯碼、驅動(dòng)及數據鎖存功能。每片MAX7219能以?huà)呙璺绞綄?位數碼管進(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 變換器硬件結構框圖

　　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

　　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0°～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：

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

　　3.2 系統軟件設計

　　系統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初始化、開(kāi)關(guān)機檢測、開(kāi)關(guān)機初始化，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、數字濾波、實(shí)施控制算法、啟動(dòng)電流A/D轉換、調節器運算程序等工作。如果系統出現故障，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。為了達到更好的控制效果，調節器采用變參數數字PI算法，其控制思想是按照電壓誤差e（k）的正、負及上升、下降趨勢，將反饋電壓一個(gè)周期的波動(dòng)分為6個(gè)區間，在不同的區間調用不同的 PI參數，從而實(shí)現最佳PI 調節，其數學(xué)表達式為：

　　其程序流程如圖6所示。

　　圖5 主程序流程 圖6 變參數PI算法流程

　　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=1.4 μs，關(guān)斷時(shí)間為toff=2.0 μs。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。

　　圖7 PWM1、PWM2的互補波形

　　圖8 PWM1、PWM3移相15°波形

　　圖9 IGBT的驅動(dòng)波形

　　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。