全數(shù)字DCDC變換器研究

引言移相全橋ＺVSＤC—ＤC變換器是目前應(yīng)用最廣泛的軟開關(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)橋臂的開關(guān)管均在零電壓軟開關(guān)條件下運(yùn)行,開關(guān)損耗小，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，順應(yīng)了直流電源小型化、高頻化的發(fā)展趨勢(shì)，因此在中大功率DC-ＤＣ變換場(chǎng)合得到了廣泛應(yīng)用，而系統(tǒng)數(shù)字化控制可進(jìn)一步提高系統(tǒng)的可靠性。數(shù)字化系統(tǒng)具備完整的可編程能力，它使程序修改、算法升級(jí)、功能移植都非常容易,相對(duì)于模擬控制方式具有明顯的優(yōu)勢(shì)。DC－ＤＣ變換器的數(shù)字化控制是當(dāng)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(xiàn)了ZVＳDC－ＤC變換器的全數(shù)字控制,并給出了實(shí)驗(yàn)結(jié)果。1主電路拓?fù)浼肮ぷ髟鞿ＶＳＰWMDＣ-ＤC全橋變換器的主電路結(jié)構(gòu)如圖1所示,其主要波形如圖２所示。由圖1可見,電路結(jié)構(gòu)與普通雙極性ＰWM變換器類似.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(fù)載。Q1和Ｑ３分別超前Ｑ４和Ｑ２一定相位（即移相角），通過(guò)調(diào)節(jié)移相角的大小來(lái)調(diào)節(jié)輸出電壓。由圖2可見，在一個(gè)開關(guān)周期中，移相全橋ZVSPWＭDC-DC變換器有1２種開關(guān)模態(tài)，通過(guò)控制4個(gè)開關(guān)管Q1～Ｑ4在A、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(gòu)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(dǎo)通時(shí)間Ts是開關(guān)周期（T=ｔ1２－t0)。通過(guò)調(diào)節(jié)占空比Ｄ來(lái)調(diào)節(jié)輸出電壓Uｏ.?由波形圖可見,移相全橋電路控制方式的特點(diǎn)是:①在一個(gè)開關(guān)周期Tｓ內(nèi)，每個(gè)開關(guān)導(dǎo)通時(shí)間都略小于Ts/２，而關(guān)斷時(shí)間略大于Ts／2.②同一個(gè)半橋中,上、下兩個(gè)開關(guān)不能同時(shí)處于開通狀態(tài),每個(gè)開關(guān)關(guān)斷到另一個(gè)開關(guān)開通都要經(jīng)過(guò)一定的死區(qū)時(shí)間。③比較互為對(duì)角的兩對(duì)開關(guān)管Q１、Q4和Q2、Ｑ3的開關(guān)函數(shù)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。2控制芯片ＴMS3２0ＬF２4０7ATMS320LF2４07Ａ是TI公司設(shè)計(jì)的一種數(shù)字信號(hào)處理器,具有接口方便、編程簡(jiǎn)單、穩(wěn)定性好、精度高、方便以及可重復(fù)性等優(yōu)點(diǎn).ＴMS320LF2407A部分功能如下：①工作電壓3.3V，有4種低功耗工作方式。電路設(shè)計(jì)時(shí)需考慮電平轉(zhuǎn)換，不要超過(guò)DSP的工作電壓。②單指令周期最短為２5ns(４０MＨｚ）,最高運(yùn)算速度可達(dá)40MＩPS,四級(jí)指令執(zhí)行流水線。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(jī)的實(shí)時(shí)控制。③擁有2個(gè)專用于電動(dòng)機(jī)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?jìng)€(gè)1６位脈寬調(diào)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(qū)功能,３個(gè)捕捉單元,1個(gè)增量式光電位置編碼器接口.④16通道１0位A/D轉(zhuǎn)換器,具有可編程自動(dòng)排序功能，4個(gè)啟動(dòng)A/D轉(zhuǎn)換的觸發(fā)源,最快A／D轉(zhuǎn)換時(shí)間為3７5ns。⑤控制器局域網(wǎng)（ＣAN）2.0B模塊。⑥串行接口ＳＰI和SＣI模塊.⑦基于鎖相環(huán)的時(shí)鐘發(fā)生器(PLＬ）。⑧41個(gè)通用Ｉ/O引腳。⑨３２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(xiàn)單指令周期的乘法運(yùn)算；5個(gè)外部中斷.⑩114９。１－1990IＥEＥ標(biāo)準(zhǔn)的ＪTAG仿真接口.⑾很寬的工作溫度范圍,普通級(jí)為－４0～8５℃，特殊級(jí)為—40~125℃。3系統(tǒng)的數(shù)字實(shí)現(xiàn)圖３為變換器硬件結(jié)構(gòu)框圖。由圖可見，系統(tǒng)采用閉環(huán)控制方式，將變換器兩側(cè)的電壓、電流經(jīng)霍爾檢測(cè)電路檢測(cè)并轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的電壓信號(hào)進(jìn)行濾波，所得的反饋信號(hào)一方面送入ＤSＰ片內(nèi)進(jìn)行A／D轉(zhuǎn)換后進(jìn)行閉環(huán)控制運(yùn)算,同時(shí)送到故障保護(hù)電路。本系統(tǒng)電壓環(huán)采用PI調(diào)節(jié)器。數(shù)字PＩ調(diào)節(jié)器根據(jù)給定值和反饋信號(hào)值進(jìn)行偏差調(diào)節(jié)，其輸出結(jié)果決定了超前、滯后臂之間ＰWM驅(qū)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(qū)動(dòng)信號(hào)經(jīng)電平轉(zhuǎn)換電路進(jìn)行電平轉(zhuǎn)換后,送到驅(qū)動(dòng)芯片Ｍ57９６２L形成最終的IGＢT驅(qū)動(dòng)信號(hào).故障保護(hù)電路則對(duì)電流、電壓反饋信號(hào)進(jìn)行判斷、處理,在故障發(fā)生時(shí)給出故障信號(hào)并從軟件上置PWM為無(wú)效方式，硬件上立即封鎖IGBT驅(qū)動(dòng)，對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行保護(hù)。數(shù)碼管顯示電路由帶SＰI接口的MAＸ７２１9和多位數(shù)碼管組成。ＭAX７２1９適合標(biāo)準(zhǔn)的ＳPI通信方式，同時(shí)還具有譯碼、驅(qū)動(dòng)及數(shù)據(jù)鎖存功能。每片MAＸ７2１9能以掃描方式對(duì)4位數(shù)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。3。１基于DＳP的直接移相脈沖生成方法移相是滯后臂驅(qū)動(dòng)相對(duì)于超前臂驅(qū)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(shè)PWＭ1/ＰＷM2驅(qū)動(dòng)超前臂開關(guān)管，PWM3/PWM4驅(qū)動(dòng)滯后臂開關(guān)管,每個(gè)橋臂上下兩管之間的驅(qū)動(dòng)互補(bǔ)且?guī)绤^(qū).在實(shí)現(xiàn)中可以固定超前臂的驅(qū)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(duì)應(yīng)的時(shí)間再發(fā)生全比較事件則可以得到滯后臂的驅(qū)動(dòng),可以實(shí)現(xiàn)Ｏ°～180°范圍內(nèi)的自由移相。由圖4可見，定時(shí)器Ｔ1的計(jì)數(shù)方式為連續(xù)增減模式，在計(jì)數(shù)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(shè)移相角φ對(duì)應(yīng)的延遲時(shí)間為Td，顯然在0~Ｔ/2、T/2～Ｔ時(shí)間段內(nèi)，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(yàn)結(jié)果根據(jù)前述方案搭建了實(shí)驗(yàn)系統(tǒng),實(shí)驗(yàn)中采用三菱公司的智能功率模塊(IＰＭ）ＰＭ2０0DSA120作為逆變器的主開關(guān)器件。它抗干擾能力強(qiáng)、開關(guān)速度較快,功耗較低，具有驅(qū)動(dòng)電源欠壓保護(hù)、橋臂對(duì)管互鎖保護(hù)、過(guò)流保護(hù)以及過(guò)熱保護(hù)等功能。開關(guān)頻率為ｆｓ=10ｋHz，開通時(shí)間為ｔｏn。=1．4μs,關(guān)斷時(shí)間為toff=2．Oμs。實(shí)驗(yàn)波形如圖7至圖9所示。圖７為PWＭ1、PWM２的互補(bǔ)波形，由圖可知,它們之間存在死區(qū)，該死區(qū)是可編程的,可根據(jù)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(jù)給定及負(fù)載的大小進(jìn)行自動(dòng)調(diào)節(jié)。圖9為T1管的驅(qū)動(dòng)波形，正電壓大約為１５Ｖ，負(fù)電壓大約為9V。?５結(jié)