全橋移相PWM開(kāi)關(guān)電源的數(shù)字化控制方案

1、第 45卷第 9期 2011年 9月電力電子技術(shù)Vol.45, No.9September 2011Power Electronics 圖 2主電路圖定 稿 日 期 :2011-05-16作 者 簡(jiǎn) 介 :石 宏 偉 (1978-, 女 , 江 蘇 江 陰 人 , 講 師 , 研 究 方 向 為 電 子 技 術(shù) 應(yīng) 用 和 高 頻 開(kāi) 關(guān) 電 源 的 設(shè) 計(jì) 與 應(yīng) 用 。1引 言近年來(lái), 隨著數(shù)字技術(shù)的不斷發(fā)展, 數(shù)字控制越來(lái)越多地被引入開(kāi)關(guān)電源的設(shè)計(jì)中 。 數(shù)字控制 克服了以往全橋移相 PWM 開(kāi)關(guān)電源 DC/DC電路 中模擬控制芯片存在的誤差 、 老化 、 溫度影響 、 漂 移 、 非線

2、性不易補(bǔ)償?shù)热秉c(diǎn),提高了電源的靈活 性 、 適應(yīng)性和可靠性 1。 在此對(duì)全橋移相 PWM 開(kāi) 關(guān)電源的數(shù)字化控制方案進(jìn)行了研究,在分析主 電路和控制電路各環(huán)節(jié)理論的基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)了一款 數(shù) 字控制 方 式的 20kHz 全 橋 移 相 PWM 開(kāi) 關(guān) 電 源,并應(yīng)用 Pspice 仿真軟件對(duì)開(kāi)關(guān)電源主電路的 運(yùn)行情況進(jìn)行了仿真,仿真和實(shí)驗(yàn)結(jié)果均表明系 統(tǒng)設(shè)計(jì)可行, 性能指標(biāo)基本可以滿足設(shè)計(jì)要求 。2PWM 開(kāi)關(guān)電源的 DSP 實(shí)現(xiàn)方案該開(kāi)關(guān)電源主要由主電路和以 DSP 為核心的控制電路組成 。 控制電路主要包括 DSP 數(shù)字控制器 、 IGBT 驅(qū)動(dòng)電路 、 檢測(cè)電路 、 保護(hù)電路以及輔助 電源電

3、路, 如圖 1所示 。2.1主電路的設(shè)計(jì)圖 2示出主電路 2。 U dc 為 220V 單相交流電源經(jīng)整流濾波后的輸出直流電壓,經(jīng)由 VT 1VT 4構(gòu) 成的逆變電路產(chǎn)生高頻開(kāi)關(guān)脈沖,再經(jīng)高頻變壓 器, 在次級(jí)線圈感應(yīng)出交變的方波脈沖, 由全波整 流電路和 LC 濾波器消除高頻成分 、 電流沖擊并減 小電路的紋波系數(shù), 得到所需的恒定直流電壓 。逆變電路采用單相全橋逆變器結(jié)構(gòu), 4個(gè)功率開(kāi)關(guān)器件 IGBT 在 DSP 控制回路作用下作周期 性的開(kāi)關(guān)動(dòng)作,將直流電壓逆變成頻率為 20kHz 的脈沖電壓 。 采用 PWM 方式保持開(kāi)關(guān)頻率不變,全橋移相 PWM 開(kāi)關(guān)電源的數(shù)字化控制方案石宏偉(江陰

4、職業(yè)技術(shù)學(xué)院, 電子信息工程系,江蘇 江陰214433摘 要 :提出全橋移相 PWM 開(kāi)關(guān)電源的 DSP 實(shí)現(xiàn)方案框圖, 對(duì)其主電路和控制電路的硬件電路及參數(shù)估算進(jìn)行了詳細(xì)設(shè)計(jì), 并對(duì)其數(shù)字控制系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)方法進(jìn)行了研究, 全面介紹了一種全橋移相 PWM 開(kāi)關(guān)電源的數(shù) 字化控制方案 。 經(jīng)軟件仿真和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證, 通過(guò) DSP 實(shí)現(xiàn)數(shù)字控制, 輸入電壓在較寬范圍內(nèi)變化時(shí)都能獲得滿意 的控制效果, 表明該數(shù)字化控制方案是可行的 。關(guān) 鍵 詞 :開(kāi)關(guān)電源;數(shù)字控制;全橋移相 中圖分類號(hào) :TN86文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼 :A文章編號(hào) :1000-100X (2011 09-0108-03The Digital

5、Control Scheme of Full -bridge Phase -shiftedPWM Switching Power SupplySHI Hong -wei(Jiangyin Polytechnic College , Jiangyin 214433, China Abstract :The general block diagram is proposed firstly , then the main circuit and control circuit of full -bridge phase -shifted PWM switching power supply are

6、 designed , and the software design method of digital control system is intro -duced.Finally the designed system is simulated with the Pspice simulation software.The simulation results show that the control effect is satisfactory when input voltage changes in a wide range and the digital control sch

7、eme is feasible. Keywords :switchingpower supply ; digital control ; full -bridge phase -shifted圖 1總體結(jié)構(gòu)框圖108圖 4DSP 的移相原理圖通過(guò)改變驅(qū)動(dòng)脈沖的占空比達(dá)到改變輸出電壓的 目的, 實(shí)現(xiàn) 24V 的恒壓輸出 。設(shè)計(jì)要求:輸出功率 P o =3kW , 輸出穩(wěn)定的直 流電壓 U o =24V , 則額定輸出電流 I p =P o /U o =125A , 即為高頻變壓器次級(jí)電流 。 通過(guò)計(jì)算,初級(jí)電流I =5A ,則可得到流過(guò) IGBT 的電流為 5A , 而加在 開(kāi)關(guān)管兩端的正向電壓

8、為 550V ,據(jù)此選擇型號(hào) 為 APT13GP120B 的 IGBT 。 逆變橋上的電容可選 用 2200pF 的電容 。 逆變電路的輸出電壓 500V 加至高頻變壓器初級(jí), 在變壓器作用下, 次級(jí)電壓 為 20V , 這就要求變壓器的匝數(shù)比為 25 1。全波整流電路將高頻變壓器輸出的正負(fù)對(duì)稱 的脈沖電壓整流成單向脈動(dòng)直流電壓,然后采用 LC 輸出濾波器將脈動(dòng)直流變成滿足設(shè)計(jì)要求的 直流電壓 。 考慮電路的工作頻率很高, 選擇輸出整 流二極管為反向恢復(fù)時(shí)間短的快恢復(fù)二極管 。 2.2控制電路的設(shè)計(jì)數(shù)字電源技術(shù)的核心是控制電路的數(shù)字化 3。 控制電路采用 DSP 芯片 TMS320LF2407

9、A , 內(nèi)置兩個(gè)事件管理模塊 EVA , EVB ,處理速度為 40MIPS 。 采用移相控制方式, 通過(guò) DSP 對(duì)給定信號(hào) 、 參 數(shù)反饋進(jìn)行處理 、 運(yùn)算與控制, 經(jīng)驅(qū)動(dòng)電路控制逆 變電路的 4個(gè)開(kāi)關(guān)管 。 根據(jù) U o 檢測(cè)信號(hào)反饋進(jìn)行 調(diào)節(jié)移相角, 當(dāng) U o 由于負(fù)載或輸入電壓波動(dòng)下降 時(shí),減小移相角,使逆變器輸出電壓方波脈寬增 加, 從而使 U o 上升到穩(wěn)定值 。 反之當(dāng) U o 上升時(shí), 增加移相角, 使逆變器輸出電壓方波減小, 從而使 U o 下降到穩(wěn)定值,以達(dá)到高頻電源數(shù)字化控制 。 開(kāi)關(guān)電源中,當(dāng)電源內(nèi)部元器件隨外部環(huán)境 的變化其性能參數(shù)發(fā)生變化 、 輸入電壓波動(dòng) 、

10、外部 負(fù)載變化或某些突發(fā)事件出現(xiàn)時(shí),均會(huì)引起輸出 電壓變化 。 輸出電流電壓反饋信號(hào)經(jīng)低通濾波和 A/D轉(zhuǎn)換后得到 DSP 所能接受并處理的數(shù)字信 號(hào), 然后與給定量進(jìn)行比較, 并完成 PI 運(yùn)算, 得到 電源的占空比信號(hào),最后 DSP 向 PWM 信號(hào)發(fā)生 電路發(fā)送信號(hào), PWM 信號(hào)發(fā)生器經(jīng)過(guò)驅(qū)動(dòng)電路向 電源主電路的 IGBT 發(fā)送 PWM 信號(hào), 從而控制開(kāi)關(guān)器件導(dǎo)通和截止的時(shí)間 4,達(dá)到穩(wěn)定輸出電壓 的目的 。 圖 3示出數(shù)字控制電路結(jié)構(gòu)框圖 。采樣電路完成輸出電流 、 電壓的采樣 。 電路采 取光耦隔離措施, 可使主電路強(qiáng)電與 DSP 控制系 統(tǒng)弱電間保持控制信號(hào)的聯(lián)系, 切斷電氣的

11、聯(lián)系 。為保障電源安全可靠工作,保護(hù)電路的實(shí)時(shí) 監(jiān)控和各種保護(hù)功能必不可少 。 因此, 必須對(duì)送入 A/D模塊的電壓電流及 其 他相關(guān) 信 號(hào)作實(shí) 時(shí) 檢 測(cè), 一旦超過(guò)給定值, 必須在短時(shí)間內(nèi)切斷主電路功率開(kāi)關(guān)管 。 引腳被拉 為低電平, 并引發(fā)中斷, 輸出引腳置為高阻態(tài), 封鎖驅(qū)動(dòng)信號(hào), 關(guān)閉功率器件, 及時(shí)保護(hù)電源系統(tǒng) 。驅(qū)動(dòng)電路是控制電路與主電路的接口,驅(qū)動(dòng) 電路選用 IGBT 專用集成驅(qū)動(dòng)芯片 EXB841, 4個(gè) IGBT 的柵極驅(qū)動(dòng)電路獨(dú)立 。3系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)DSP 數(shù)字控制能實(shí)現(xiàn)比模擬控制更為高級(jí)且復(fù)雜的策略, 數(shù)字 PID 系統(tǒng)易于實(shí)現(xiàn)模塊化管理, 能消除因離散元件引起的不穩(wěn)定

12、和電磁干擾, 可 在同樣的硬件環(huán)境下嘗試不同的控制策略,尋求 最優(yōu)控制方案 。 3.1DSP 移相控制原理圖 4示出移相控制原理 5。 電源工作頻率由通 用定時(shí)器 1的周期寄存器 T1PR 給定,計(jì)數(shù)寄存器 T1CNT 采用連續(xù)增 /減計(jì)數(shù)模式 。 規(guī)定超前臂VT 1, VT 2為固定臂開(kāi)關(guān)管, 軟開(kāi)關(guān)滯后臂 VT 3, VT 4為移相臂開(kāi)關(guān)管 。 在每周期 DSP 互補(bǔ)輸出 u PWM1和u PWM2,死區(qū)時(shí)間由死區(qū)控制寄存器給出, 避免上下 臂直通 。 VT 3, VT 4的移相角由比較寄存器 CMPR2給定, DSP 同樣輸出互補(bǔ)并帶死區(qū)的 u PWM3, u PWM4。 實(shí)時(shí)改變 CM

13、PR2的值并保證 u PWM3和 u PWM4互補(bǔ), 即可控制電源輸出的占空比 。 只有 u PWM1與 u PWM4, u PWM2與 u PWM3同時(shí)為高時(shí),電源才能傳遞功率 。 3.2數(shù)字 PID 算法采用數(shù)字 PID 控制器來(lái)實(shí)現(xiàn)電壓和電流的動(dòng)態(tài)穩(wěn)定, PID 控制規(guī)律可表示為:u (t =K P e (t +1T I乙 e (t d t +T Dd e (t d ttt (1式中:u (t 為 PID 調(diào)節(jié)器輸出量; T I 為調(diào)節(jié)器的積分時(shí)間; T D 為調(diào)節(jié)器的微分時(shí)間; K P 為調(diào)節(jié)器的增益 。圖 3DSP 控制電路結(jié)構(gòu)全 橋 移 相 PWM 開(kāi) 關(guān) 電 源 的 數(shù) 字 化

14、控 制 方 案109第 45卷第 9期 2011年 9月電力電子技術(shù)Vol.45, No.9September 2011Power Electronics 圖 724V 直流輸出電壓實(shí)驗(yàn)波形對(duì)式(1離散化, 得:u i =K P e i +TT I ij =0e j +T T(e i -e i -1(2根據(jù)遞推原理可得:u i -1=K P e i -1+TIi -1j =0e j +T P(e i -1-e i -2(3由式(2 , (3得:u i =u i -1+KP (e i -e i -1 +K I e i +K D (e i -2e i -1+e i -2 (4式中:K I 為積分系

15、數(shù), K I =K P T /T I ; K D 為微分系數(shù), K D =K P T D /T 。3.3數(shù)字濾波數(shù)字濾波實(shí)際就是通過(guò) DSP 對(duì)采樣信號(hào)進(jìn)行 平滑加工, 加強(qiáng)其有用信號(hào), 消除和減少各種干擾 和噪聲, 提高系統(tǒng)可靠性 。 在進(jìn)行數(shù)據(jù)處理和 PID 調(diào)節(jié)前, 應(yīng)首先對(duì)采樣值進(jìn)行數(shù)字濾波 。 系統(tǒng)采用 算術(shù)平均濾波, 對(duì)目標(biāo)參數(shù)進(jìn)行連續(xù)采樣, 然后求 其算術(shù)平均值為有效采樣值 。 3.4軟件實(shí)現(xiàn)軟件設(shè)計(jì)主要包括主程序 、 定時(shí)計(jì)數(shù)器中斷 服務(wù)程序及控制算法程序設(shè)計(jì) 3部分,如圖 5所 示 。 首先對(duì)系統(tǒng)初始化, 其中包括給控制寄存器賦 初值, 在等待中斷的空閑時(shí)間內(nèi)采集輸出信號(hào),

16、設(shè) 置 ADC 轉(zhuǎn)換結(jié)束標(biāo)志位為 1。 為保證程序的正常 運(yùn)行要禁止看門(mén)狗,設(shè)置 PWM 信號(hào)的頻率和死 區(qū)時(shí)間, 設(shè)置通用定時(shí)器 1和 2的控制寄存器, 設(shè) 置捕獲控制寄存器檢測(cè)下降沿 。 4系統(tǒng)仿真應(yīng) 用 仿 真 軟 件 Pspice9.2對(duì) 所 設(shè) 計(jì) 的 3kW/20kHz (125A/24V 開(kāi)關(guān)電源進(jìn)行了仿真 。 通過(guò)調(diào) 節(jié)超前橋臂與滯后橋臂間的移相角來(lái)調(diào)節(jié)輸出電壓的大小, 使輸出電壓保持穩(wěn)定 。 仿真參數(shù):輸入 直流電壓 U i =500V ; 輸出直流電壓 U o =24V ; 變壓 器初 、 次級(jí)匝比 N =25; 附加諧振電感 L r =20H ;主功率開(kāi)關(guān)管 VT 1VT

17、 4采用 APT13GP120B ;輸出 整流二極管 VD 5, VD 6采用 DD200KB 。圖 6a 示出高頻變壓器初級(jí)電壓和電流仿真 波形 。 由圖可見(jiàn), 由于兩橋臂驅(qū)動(dòng)脈沖的移相角的 存在, 使 u ab 波形中出現(xiàn) “ 零電壓平臺(tái) ” ; i p 波形經(jīng) 歷了從緩慢上升 緩慢下降 正向急劇下降 過(guò) 零 反向急劇上升 緩慢上升 緩慢下降 反向急劇下降 過(guò)零 正向急劇上升 的過(guò)程 。 圖 6b示出整流濾波輸出電壓波形, 可見(jiàn), 直流輸出電壓 基本達(dá)到要求, 紋波也不太大 。5實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析制作了一臺(tái) 3kW/20kHz (125A/24V 大功率 高頻開(kāi)關(guān)電源樣機(jī), 輸出電壓電流均可調(diào)

18、 。 實(shí)驗(yàn)參 數(shù):單相輸入電壓 220V/50Hz , 輸出功率 3kW , 工作頻率 20kHz , 圖 7示出實(shí)驗(yàn)波形 。 可見(jiàn), 輸出 直流電壓較為平穩(wěn), 輸出波形良好, 驗(yàn)證了所選電 路結(jié)構(gòu)的正確性與合理性 。 實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明在開(kāi)關(guān) 電源中用數(shù)字控制器代替模擬控制器是可行的 。6結(jié) 論結(jié)合當(dāng)前高頻開(kāi)關(guān)電源的發(fā)展現(xiàn)狀,研究了 全橋移相 PWM 開(kāi)關(guān)電源的數(shù)字化控制方案, 根據(jù)性能指標(biāo)設(shè)計(jì)了一款 3kW/50kHz 高頻數(shù)字開(kāi) 關(guān)電源,介紹了基于 DSP 的控制電路設(shè)計(jì)方案, 并針對(duì)高頻開(kāi)關(guān)電源中的一些問(wèn)題進(jìn)行了詳細(xì)研 究, 最后驗(yàn)證了設(shè)計(jì)方案的正確性和可行性 。參考文獻(xiàn)1張占松, 蔡宣三