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科普知識
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DC-DC模塊電源

全數字DC-DC變換器研究

發布日期:2022-04-18 點擊率:135

 引 言

  移相全橋ZVS DC-DC變換器是目前應用最廣泛的軟開關電路之一。作為一種具有優良性能的移相全橋變換器,其兩個橋臂的開關管均在零電壓軟開關條件下運行,開關損耗小,結構簡單,順應了直流電源小型化、高頻化的發展趨勢,因此在中大功率DC-DC變換場合得到了廣泛應用,而系統數字化控制可進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勢。DC-DC變換器的數字化控制是當前的研究熱點之一。本文分析了主電路原理,采用TMS320LF2407作為主控芯片實現了ZVS DC-DC變換器的全數字控制,并給出了實驗結果。

  1 主電路拓撲及工作原理

  ZVS PWM DC-DC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,電路結構與普通雙極性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是負載。Q1和Q3分別超前Q4和Q2一定相位(即移相角),通過調節移相角的大小來調節輸出電壓。由圖2可見,在一個開關周期中,移相全橋ZVS PWM DC-DC變換器有12種開關模態,通過控制4個開關管Q1~Q4在A、B兩點得到一個幅值為Vin的交流方波電壓;經過高頻變壓器的隔離變壓后,在變壓器副方得到一個幅值為Vin/K的交流方波電壓,然后通過由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。這個直流方波電壓經過 Lf和Cf組成的輸出濾波器后成為一個平直的直流電壓,其電壓值為Uo=DVin/K(D是占空比)。Ton是導通時間Ts是開關周期(T=t12- t0)。通過調節占空比D來調節輸出電壓Uo。











由波形圖可見,移相全橋電路控制方式的特點是:

  ①在一個開關周期Ts內,每個開關導通時間都略小于Ts/2,而關斷時間略大于Ts/2。

 ?、谕粋€半橋中,上、下兩個開關不能同時處于開通狀態,每個開關關斷到另一個開關開通都要經過一定的死區時間。

  ③比較互為對角的兩對開關管Q1、Q4和Q2、Q3的開關函數波形,Q1的波形比Q4的波形超前O~Ton/2時間,Q2的波形比Q3的波形超前0~Ton/2時間,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、編程簡單、穩定性好、精度高、方便以及可重復性等優點。TMS320LF2407A部分功能如下:

  ①工作電壓3.3 V,有4種低功耗工作方式。電路設計時需考慮電平轉換,不要超過DSP的工作電壓。

  ②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。低功耗,有利于電池供電的場合;而高速度非常適用于電動機的實時控制。

 ?、蹞碛?個專用于電動機控制的事件管理器(EV),每一個都包含:2個16位通用定時器,8個16位脈寬調制(PWM)輸出通道,1個能夠快速封鎖輸出的外部引腳/PDPINTx(其狀態可從COMCONx寄存器獲得),可防止上下橋臂直通的可編程死區功能,3個捕捉單元,1個增量式光電位置編碼器接口。

 ?、?6通道10位A/D轉換器,具有可編程自動排序功能,4個啟動A/D轉換的觸發源,最快A/D轉換時間為375 ns。

 ?、菘刂破骶钟蚓W(CAN)2.0B模塊。

 ?、薮薪涌赟PI和SCI模塊。

 ?、呋阪i相環的時鐘發生器(PLL)。

 ?、?1個通用I/O引腳。

  ⑨32位累加器和32位中央算術邏輯單元(CALU);16位×16位并行乘法器,可實現單指令周期的乘法運算;5個外部中斷。

 ?、?149.1-1990 IEEE標準的JTAG仿真接口。

  ⑾很寬的工作溫度范圍,普通級為-40~85℃,特殊級為-40~125℃。

  3 系統的數字實現

  圖3為變換器硬件結構框圖。由圖可見,系統采用閉環控制方式,將變換器兩側的電壓、電流經霍爾檢測電路檢測并轉換成相應的電壓信號進行濾波,所得的反饋信號一方面送入DSP片內進行A/D轉換后進行閉環控制運算,同時送到故障保護電路。本系統電壓環采用PI調節器。數字PI調節器根據給定值和反饋信號值進行偏差調節,其輸出結果決定了超前、滯后臂之間PWM驅動波形移相角的大小,從而使控制量跟蹤給定量;DSP發出的驅動信號經電平轉換電路進行電平轉換后,送到驅動芯片M57962L形成最終的IGBT驅動信號。故障保護電路則對電流、電壓反饋信號進行判斷、處理,在故障發生時給出故障信號并從軟件上置 PWM為無效方式,硬件上立即封鎖IGBT驅動,對系統進行保護。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,同時還具有譯碼、驅動及數據鎖存功能。每片MAX7219能以掃描方式對4位數碼管進行智能化管理,大大降低了微處理器用于實時顯示的時間。





3.1 基于DSP的直接移相脈沖生成方法

  移相是滯后臂驅動相對于超前臂驅動之間的一個周期性延時,其延時角即為移相角。設PWM1/PWM2驅動超前臂開關管,PWM3/PWM4驅動滯后臂開關管,每個橋臂上下兩管之間的驅動互補且帶死區。在實現中可以固定超前臂的驅動在每一周期的T0時刻發出,那么只要延遲移相角φ對應的時間再發生全比較事件則可以得到滯后臂的驅動,可以實現O°~180°范圍內的自由移相。由圖4可見,定時器T1的計數方式為連續增減模式,在計數器T1CNT=0和 T1CNT=T1PR時分別更新CMPR1和CMPR2的值,這一過程可以分別在T1的下溢中斷和周期中斷中完成。設移相角φ對應的延遲時間為Td,顯然在0~T/2、T/2~T時間段內,CMPR1、CMPR2值的關系可分別表示如下:

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Kp2,其程序流程如圖6所示。














4 實驗結果

  根據前述方案搭建了實驗系統,實驗中采用三菱公司的智能功率模塊(IPM)PM200DSA120作為逆變器的主開關器件。它抗干擾能力強、開關速度較快,功耗較低,具有驅動電源欠壓保護、橋臂對管互鎖保護、過流保護以及過熱保護等功能。開關頻率為fs=10 kHz,開通時間為ton。=1.4μs,關斷時間為toff=2.Oμs。實驗波形如圖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,可根據實際情況來確定。圖8為PWM1、PWM3之間的移相15°的波形,該移相角可通過程序來控制,根據給定及負載的大小進行自動調節。圖9為T1管的驅動波形,正電壓大約為15 V,負電壓大約為9 V。





 





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,給出了其數字實現方案,并進行了實驗。實驗結果說明了方案的可行性?;贒SP的移相全橋全數字ZVS DC/DC變換器結構簡單,工作可靠,易于實現,調試方便,功能完善,動靜態性能與模擬變換器一樣好,有很好的應用前景

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