移相全橋DCDC軟開關(guān)變換器的全數(shù)字化實(shí)現(xiàn)

1、7，移相全橋DC/DC軟開關(guān)變換器的全數(shù)字化實(shí)現(xiàn)作者：李志，林磊，鄒云屏?xí)r間：2007-01-24來源: 摘要：為同時(shí)滿足大功率低壓大電流直流電源的穩(wěn)態(tài)電壓精度和起動(dòng)艦載直升機(jī)時(shí)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)速度的要求，本文提出了一種基于DSP TMS320F240 的移相全橋DC/DC 軟開關(guān)變換器的數(shù)字控制實(shí)現(xiàn)方法。實(shí)驗(yàn)結(jié)果證明了方案的可行性。關(guān)鍵詞：直流電源;低壓大電流;DC/DC 軟開關(guān)變換器;數(shù)字控制引言隨著各種新穎的輔助電路的相繼出現(xiàn)，移相軟開關(guān)DC/DC 電路已趨向成熟，逐步成為高頻DC/DC 變換器的主流。與其他的DC/DC 電路相比，移相全橋軟開關(guān)拓?fù)涑浞掷昧穗娐繁旧淼募纳鷧?shù)，使開關(guān)管工作在

2、軟開關(guān)狀態(tài)，降低開關(guān)管的開關(guān)噪聲和開關(guān)損耗，提高變換器的效率。移相全橋軟開關(guān)DC/DC 電路具體形式多樣，但就其實(shí)現(xiàn)方式而言，大致可分為零電壓開關(guān)（ZVS）、零電流開關(guān)（ZCS）和零電壓零電流開關(guān)（ZVZCS）三大類型。相比較而言，ZVS 電路實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單、工作可靠，而且充分利用了器件的寄生參數(shù)，基本不需要加入輔助電路，因此比較適用于大功率低壓大電流的應(yīng)用場(chǎng)合。本文論述的實(shí)驗(yàn)樣機(jī)采用移相全橋ZVSDC/DC 變換技術(shù)，輸出直流電壓28.5V，額定輸出電流350A，過載輸出電流700A，并要求裝置在20%160%20%（70A600A70A）突加、突減負(fù)載時(shí)的動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)速度快。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及移相PWM 控

3、制的數(shù)字化實(shí)現(xiàn)1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1 所示，通過DSP 將輸出的電壓信號(hào)和電流信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字量，對(duì)輸出電壓進(jìn)行PI控制，產(chǎn)生移相PWM 驅(qū)動(dòng)信號(hào)，并根據(jù)反饋電流信號(hào)相應(yīng)地補(bǔ)償輸出的電纜壓降。該設(shè)備設(shè)置有硬件和軟件兩套保護(hù)系統(tǒng)，確保出現(xiàn)故障時(shí)能有效地保護(hù)。該系統(tǒng)還具有數(shù)碼管顯示和微機(jī)遙控功能，通過RS232 接口實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程通訊。移相全橋ZVS DC/DC 變換器利用變壓器原邊漏感與開關(guān)管寄生參數(shù)諧振，來實(shí)現(xiàn)開關(guān)管的零電壓開通，必要的時(shí)候，可以在變壓器原邊串入諧振電感Lr，實(shí)現(xiàn)滯后橋臂的零電壓開通。圖1 中，采用了6 個(gè)高頻變壓器T1T6 原邊串聯(lián)、副邊并聯(lián)的連接方式，采用這樣的連接方式，方便了

4、輸出整流二極管D1D12 的選取，可以實(shí)現(xiàn)大功率低壓大電流的輸出。移相PWM 控制的DSP 實(shí)現(xiàn)移相PWM 控制的數(shù)字實(shí)現(xiàn)方法很多，但由于目前所用DSP 芯片不具有直接產(chǎn)生移相信號(hào)的功能，主要采用類似EEPROM 存儲(chǔ)控制器的實(shí)現(xiàn)方式。這種移相PWM 數(shù)字實(shí)現(xiàn)方式存在著實(shí)現(xiàn)復(fù)雜，控制精度直接受存儲(chǔ)器容量的限制和不便于實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程通訊的缺點(diǎn)。本文以TMS320DF240 DSP 芯片為例介紹一種合成PWM 波形實(shí)現(xiàn)移相控制的方法。經(jīng)實(shí)驗(yàn)證明，該方案簡(jiǎn)單易行，安全可靠。該方案采用驅(qū)動(dòng)波形合成電路，如圖2 所示，將DSP輸出的6 路PWM 信號(hào)合成為4 路移相驅(qū)動(dòng)信號(hào)，其原理如圖3 所示。圖3 中，Q1

5、、Q3 和Q4 以通用定時(shí)器T1 為時(shí)基，Q2 以通用定時(shí)器T2 為時(shí)基，T2 相位滯后于T1180，均設(shè)置為連續(xù)增模式，比較點(diǎn)為周期中點(diǎn)。Q1 和Q3 的死區(qū)時(shí)間由全比較單元死區(qū)定時(shí)器控制寄存器設(shè)置。Q4 信號(hào)由PWM3 和PWM5 的輸出信號(hào)相與而產(chǎn)生,CMPR2 的初始比較點(diǎn)為周期終點(diǎn)，而CMPR3 的初始比較點(diǎn)為周期中點(diǎn)，且PWM3 設(shè)置為低有效，而PWM5 設(shè)置為高有效。這樣PWM3和PWM5 相與后的波形將滯后Q1 波形180。Q2信號(hào)由單比較單元1(SCMPR1)和2(SCMPR2)輸出波形PWM7 和PWM8 相與產(chǎn)生。SCMPR1 的初始比較點(diǎn)為周期終點(diǎn)，而SCMPR2 的初

6、始比較點(diǎn)為周期中點(diǎn)，且PWM7 設(shè)置為低有效，而PWM8 設(shè)置為高有效。這樣PWM7 和PWM8 相與后的波形將滯后Q4 波形180。設(shè)定CMPR1 數(shù)值不變?yōu)橹芷诘囊话耄?Q1 和Q3 驅(qū)動(dòng)超前橋臂。在調(diào)節(jié)過程中，并保持CMPR2和SCMPR1、CMPR3 和SCMPR2 的數(shù)值相同分別等于比較點(diǎn)2 和比較點(diǎn)3。如果將以上四個(gè)比較寄存器的值同時(shí)減小或增加相同的量，則可以實(shí)現(xiàn)Q2 和Q4 的向前移動(dòng)或向后移動(dòng)。即實(shí)現(xiàn)了滯后橋臂驅(qū)動(dòng)的移相控制。滯后橋臂的死區(qū)時(shí)間為比較點(diǎn)2 和比較點(diǎn)3 的差值與1/2 周期值的差所代表的計(jì)數(shù)時(shí)間。變換器控制系統(tǒng)的分析與設(shè)計(jì)在移相DC/DC PWM 變換器的完整數(shù)學(xué)

7、模型的基礎(chǔ)上，對(duì)本裝置的控制系統(tǒng)進(jìn)行分析和設(shè)計(jì)。一般而言，實(shí)際系統(tǒng)本身的穿越頻率較小，即系統(tǒng)自身的帶寬不夠。在系統(tǒng)中引入調(diào)節(jié)器的目的有三點(diǎn)：1） 加大系統(tǒng)帶寬，改善系統(tǒng)動(dòng)態(tài)性能；2） 保證系統(tǒng)的中低頻增益，使系統(tǒng)獲得滿意的穩(wěn)態(tài)性能指標(biāo)；3） 提高系統(tǒng)的相角裕度，保證系統(tǒng)的穩(wěn)定性。本裝置實(shí)際控制系統(tǒng)如圖4 所示。圖中，虛線框?yàn)橐葡嗳珮蜃兞髌髦麟娐纺Ｐ?。Vref、Vf、Ve 分別為輸出電壓的給定值、反饋值和誤差，Ksen_v 為輸出電壓采樣系數(shù)，Ksen_i 為輸出電流采樣系數(shù)。實(shí)際系統(tǒng)中，電壓調(diào)節(jié)器Gu(s)的輸入為反饋電壓與給定電壓的誤差量，輸出為實(shí)際電路的占空比(0D1)，其中的比例系數(shù)由移

8、相PWM 發(fā)生器等效環(huán)節(jié)，即將調(diào)制信號(hào)變?yōu)檎伎毡容敵龅谋壤h(huán)節(jié)Kmd 決定。 Gu(s)為PI 調(diào)節(jié)器，即電流調(diào)節(jié)器Gi(s)為P 調(diào)節(jié)器，即電壓采樣環(huán)節(jié)等效于一個(gè)零階保持器，而濾波器可以等效于一個(gè)RC 一階傳函，在實(shí)際系統(tǒng)中，對(duì)采樣值進(jìn)行4 點(diǎn)均值濾波，故在設(shè)計(jì)調(diào)節(jié)器時(shí)，為了獲得理想的穩(wěn)態(tài)和瞬態(tài)輸出特性，調(diào)節(jié)器的穿越頻率必須小于直流變換器的開關(guān)頻率。本系統(tǒng)的電流補(bǔ)償環(huán)節(jié)主要是在負(fù)載大電流情況下對(duì)輸出電纜的電壓降損失進(jìn)行補(bǔ)償，該環(huán)節(jié)是對(duì)電壓的給定值進(jìn)行動(dòng)態(tài)補(bǔ)償，對(duì)直流變換器輸出端的動(dòng)態(tài)性能影響不大，因此我們?cè)谥绷髯儞Q器小信號(hào)模型及控制系統(tǒng)分析時(shí)只考慮電壓環(huán)的作用。在本系統(tǒng)中，電壓環(huán)穿越頻率設(shè)置

9、為開關(guān)頻率的1/20。動(dòng)態(tài)特性和穩(wěn)態(tài)精度是直流電源的兩個(gè)重要技術(shù)指標(biāo)。調(diào)節(jié)器的設(shè)計(jì)很大程度上是為了使系統(tǒng)滿足上述兩個(gè)技術(shù)指標(biāo)。由于數(shù)字調(diào)節(jié)器的多樣性，包括變結(jié)構(gòu)控制、模糊人工智能控制的運(yùn)用使得僅僅運(yùn)用經(jīng)典控制理論分析直流數(shù)字控制系統(tǒng)無法獲得理想的效果。在本裝置的控制系統(tǒng)中，采用了變結(jié)構(gòu)控制與模糊人工智能控制相結(jié)合的混合控制方式。首先，由于本裝置既要滿足大負(fù)載范圍內(nèi)輸出電壓穩(wěn)態(tài)精度的要求，又要滿足突加、突減負(fù)載時(shí)的動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)特性的要求，所以對(duì)負(fù)載和誤差的邊界條件進(jìn)行分離，在各種不同的負(fù)載和誤差范圍內(nèi)，結(jié)合系統(tǒng)傳函的BODE 圖，改變系統(tǒng)的增益，有針對(duì)性的確定不同的PI 參數(shù)。其次，采用智能積分的方

10、法來減小系統(tǒng)的超調(diào)。加入對(duì)誤差e 與誤差的變化量e D 乘積的判別。當(dāng) 時(shí)，智能積分提供一個(gè)準(zhǔn)確、及時(shí)的控制量，有效的抑止系統(tǒng)誤差的增加，加快誤差回零的速度；而當(dāng) 時(shí)，調(diào)節(jié)器的積分輸出量為零，對(duì)系統(tǒng)調(diào)節(jié)和誤差變化進(jìn)行等待觀察，僅通過比例調(diào)節(jié)來加速誤差回零，這樣可以有效的避免了積分值互相抵消引起的控制不及時(shí)，不會(huì)因積分環(huán)節(jié)而增加系統(tǒng)的慣性。實(shí)驗(yàn)結(jié)果本實(shí)驗(yàn)裝置使用DSP TMS320F240 實(shí)現(xiàn)移相PWM 控制，開關(guān)頻率為20kHz。輸入為三相380V交流電經(jīng)整流橋6RI100G-160 整流得到的直流電壓，主開關(guān)器件選用BSM150GB120DN2，快恢復(fù)整流二極管選用MURP20040CT。

11、為了滿足穩(wěn)態(tài)時(shí)電壓紋波小的要求，該實(shí)驗(yàn)裝置中，選取輸出濾波電感Lf=50H，輸出濾波電容Cf270000F。它們?cè)谳敵鰝?cè)40kHz的頻率下的阻抗分別為Xf=12.57，Xc=14.7410-6 。由此可見，變壓器副邊電壓的交流分量基本上全部在輸出濾波電感上，裝置輸出電壓穩(wěn)態(tài)特性可以得到滿足。如圖7 所示，該裝置電壓紋波系數(shù)小于0.5%。但將輸出濾波電容選取的較大，會(huì)增大濾波器的慣性，可能導(dǎo)致裝置在突加、突減負(fù)載時(shí)響應(yīng)速度過慢。但從圖8 可以看出， 由于該裝置采用混合調(diào)制策略，突加、突減負(fù)載時(shí)，電壓波動(dòng)小于3V，調(diào)節(jié)時(shí)間小于20ms，且基本上無超調(diào)，輸出電壓具有較快的動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)特性。通過改變諧振電

12、感和IGBT 上并聯(lián)的諧振電容的大小，可以設(shè)置軟開關(guān)的負(fù)載范圍。當(dāng)負(fù)載電流小的時(shí)候，開關(guān)管上通過的電流也小，在這種情況下，即使設(shè)備工作在硬開關(guān)狀態(tài)，開關(guān)管的工作仍是安全可靠的。故本實(shí)驗(yàn)樣機(jī)將軟開關(guān)的范圍設(shè)置在60%額定負(fù)載以上實(shí)現(xiàn)零電壓開關(guān)，圖5、圖6 分別為超前和滯后橋臂在200A 時(shí)的驅(qū)動(dòng)信號(hào)波形VGE 和管壓降波形VCE。從圖5 和圖6 的波形可以明顯的看出，實(shí)驗(yàn)樣機(jī)的超前和滯后橋臂在負(fù)載200A 時(shí)，都可以實(shí)現(xiàn)零電壓開關(guān)。實(shí)驗(yàn)樣機(jī)的整機(jī)效率曲線如圖9 所示，在負(fù)載300A 時(shí)，整機(jī)達(dá)到最高效率為93.2%，從效率曲線還可以看出，當(dāng)負(fù)載增大時(shí)，整機(jī)的效率還是維持在90%以上，這是因?yàn)殡S著負(fù)載的增大，雖然開關(guān)管的通態(tài)損耗增大了，但由于軟開關(guān)的實(shí)現(xiàn)，降低了開關(guān)損耗，使得樣機(jī)的整機(jī)效率得以維持在90%以上。由此可以看出，通過使用移相全橋DC/DC 軟開關(guān)變換器，既使得開關(guān)管更安全可靠的工作，又提高了整機(jī)的工作效率。結(jié)論本方案提出