基于DSP控制的數(shù)字式雙向DC/DC變換器的實(shí)現(xiàn)??

摘要：總結(jié)了電力電子領(lǐng)域數(shù)字控制的發(fā)展歷程，并對(duì)其現(xiàn)狀和前景作了分析?；趯?duì)全橋隔離型的雙向DC/DC變換器工作原理的分析，從簡(jiǎn)化硬件電路的角度出發(fā)，設(shè)計(jì)了數(shù)字控制的雙向DC/DC變換器。試驗(yàn)控制功能全部由軟件實(shí)現(xiàn)，電壓可調(diào)性和穩(wěn)壓輸出都得到滿足。同時(shí)也由軟件實(shí)現(xiàn)電路的雙向運(yùn)行，對(duì)蓄電池可以進(jìn)行恒流充電。

關(guān)鍵詞：雙向DC/DC變換器；數(shù)字信號(hào)處理器；數(shù)字脈寬調(diào)制（DPWM）

0??? 引言

??? 數(shù)字化技術(shù)隨著信息技術(shù)的發(fā)展而飛速發(fā)展，同時(shí)，也對(duì)電力電子技術(shù)的發(fā)展起到了巨大的推動(dòng)作用。隨著電力電子技術(shù)和數(shù)字控制技術(shù)的發(fā)展，越來(lái)越多的數(shù)字控制開(kāi)關(guān)變換器投入使用。但是，在高頻PWM變換器中還存在一些需要解決的問(wèn)題。

??? 隨著數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)的日益完善和成熟，它顯示出了越來(lái)越多的優(yōu)點(diǎn)，諸如便于計(jì)算機(jī)的處理和控制；避免模擬信號(hào)的傳遞畸變和失真；減少雜散信號(hào)的干擾；便于自診斷，容錯(cuò)等技術(shù)的植入等。在計(jì)算機(jī)進(jìn)入電力電子技術(shù)領(lǐng)域的初期，只是完成諸如監(jiān)控、顯示等輔助功能，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)級(jí)的控制。但是，隨著數(shù)字化技術(shù)的發(fā)展，計(jì)算機(jī)已經(jīng)被應(yīng)用于控制電路。專用于PWM變換器的數(shù)字控制器由于其功耗低，對(duì)模擬電路部分參數(shù)變化不敏感，可以方便地和數(shù)字系統(tǒng)相連接，并且可以方便地實(shí)現(xiàn)完善成熟的控制方案，而越來(lái)越受歡迎。此方面的應(yīng)用包括電壓調(diào)節(jié)模塊（VRM）的微處理器，音頻放大器，便攜式電子裝備等等。

??? 數(shù)字控制的電力電子裝置以數(shù)字控制器代替模擬硬件電路進(jìn)行PWM控制，通過(guò)開(kāi)關(guān)的快速切換實(shí)現(xiàn)電量的變換。以占空比量化為基礎(chǔ)的數(shù)字功率變換器的數(shù)字控制，相對(duì)于傳統(tǒng)的模擬控制有很多優(yōu)點(diǎn)。數(shù)字濾波器是用來(lái)進(jìn)行動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)的，若設(shè)定其采樣頻率等于功率變換器的采樣頻率，量化占空比數(shù)字控制器可以工作在任何開(kāi)關(guān)頻率，而不須再補(bǔ)償。通過(guò)對(duì)權(quán)系數(shù)的修改，可以方便地改變動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)特性。同時(shí)，基本的數(shù)字控制器可以很容易地實(shí)現(xiàn)諸如輸出電流限幅和軟啟動(dòng)等特殊功能。

??? 本文基于對(duì)數(shù)字控制發(fā)展歷程的總結(jié)，歸納了數(shù)字控制的優(yōu)點(diǎn)。通過(guò)對(duì)全橋隔離型的雙向DC/DC變換器工作原理的分析，從簡(jiǎn)化硬件電路的角度出發(fā)，將控制功能全部集中起來(lái)由軟件實(shí)現(xiàn)，試驗(yàn)中電壓可調(diào)性和穩(wěn)壓輸出都得到滿足。同時(shí)，也由軟件實(shí)現(xiàn)電路的雙向運(yùn)行，對(duì)蓄電池可以進(jìn)行恒流充電。試驗(yàn)所采用的數(shù)字控制器是TMS320LF2407，整個(gè)控制系統(tǒng)為所開(kāi)發(fā)的通用電力電子裝置的數(shù)字控制平臺(tái)。

1??? 數(shù)字控制雙向DC/DC變換器基本結(jié)構(gòu)及其工作原理

??? 隨著科技和生產(chǎn)的發(fā)展，對(duì)雙向DC/DC變換器的需求逐漸增多，主要包括直流不間斷電源系統(tǒng)、航天電源系統(tǒng)、電動(dòng)汽車、直流功率放大器及蓄電池儲(chǔ)能等應(yīng)用場(chǎng)合。

??? 數(shù)字脈寬調(diào)制（DPWM）雙向DC/DC變換器的基本結(jié)構(gòu)如圖1所示。本文采用全橋隔離型雙向DC/DC變換器作為實(shí)驗(yàn)裝置的主電路結(jié)構(gòu)。

圖1??? DPWM雙向DC/DC變換器方框圖

??? 控制器由模數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADC），DPWM控制模塊和離散調(diào)節(jié)控制模塊組成。其中ADC模塊把可調(diào)量（典型的是采樣輸出電壓V_out）離散量化，DPWM把控制信息轉(zhuǎn)化為PWM脈寬信號(hào)，離散控制中心執(zhí)行對(duì)反饋量的計(jì)算調(diào)制。

??? 下面對(duì)雙向DC/DC主電路的工作原理進(jìn)行簡(jiǎn)單分析，其主電路如圖2所示。

圖2??? 全橋隔離型雙向DC/DC主電路圖

1.1??? 原邊對(duì)副邊放電

??? 滿調(diào)制時(shí)S₁～S₄驅(qū)動(dòng)波形如圖3所示，圖中的波形沒(méi)有考慮死區(qū)，即認(rèn)為開(kāi)關(guān)管為理想器件。圖3（a）中PWM₁和PWM₄同相，沒(méi)有移相，此時(shí)副邊輸出電壓最高，如果不計(jì)損耗，那么副邊的輸出電壓為nV_in，這是滿調(diào)制時(shí)的輸出，此時(shí)副邊通過(guò)主開(kāi)關(guān)反并二極管來(lái)整流，即為不控整流。原邊的開(kāi)關(guān)作用相當(dāng)于把輸入信號(hào)調(diào)制為交流的方波信號(hào)，副邊二極管則把該信號(hào)解調(diào)為直流電壓輸出，此時(shí)不存在脈寬的空缺，同時(shí)封鎖副邊脈沖。變壓器原邊輸入信號(hào)v_ab如圖3（b）所示，由于S₁及S₄和S₂及S₃的脈寬均為T/2(T為開(kāi)關(guān)周期)，v_ab正半波和負(fù)半波經(jīng)歷時(shí)間均為T/2(即π），v_ab經(jīng)過(guò)副邊整流之后可得到最大的輸出電壓。

（a）原邊門(mén)極控制脈沖波形

（b）v_ab波形

（c）移相控制門(mén)極脈沖波形

（d）v_ab波形

圖3??? 原邊對(duì)副邊放電S₁～S₄驅(qū)動(dòng)信號(hào)與v_ab

??? 移相控制時(shí)門(mén)極脈沖如圖3(c)所示，S₄門(mén)極脈沖比S₁門(mén)極脈沖滯后一個(gè)角度θ，v_ab如圖3（d）所示。因此，可以通過(guò)控制滯后角度θ的大小來(lái)控制輸出電壓。在數(shù)字控制器中可以用軟件設(shè)定滯后角度θ來(lái)控制輸出電壓，即可以通過(guò)移相控制使輸出電壓可調(diào)。

1.2??? 副邊對(duì)原邊充電

??? 此時(shí)，如圖3所示，只要把S₅～S₈的驅(qū)動(dòng)信號(hào)與S₁～S₄的驅(qū)動(dòng)信號(hào)互換，v_ab則由v_cd替換即可，同樣存在滿調(diào)制和移相控制兩種情況。但是，通常情況下充電要求恒流充電，因此，也可以通過(guò)移相控制來(lái)滿足此要求。原副邊的工作過(guò)程剛好與放電時(shí)相反。此處不再贅述。

2??? 雙向DC/DC數(shù)字化控制的軟件實(shí)現(xiàn)

??? 雙向DC/DC變換器，可以實(shí)現(xiàn)能量的雙向傳輸。通常正向放電要求輸出電壓可調(diào)，而反向充電過(guò)程通常要求充電電流恒定不變。通過(guò)對(duì)S3和S2的移相控制可以實(shí)現(xiàn)副邊輸出電壓的可調(diào)要求，同樣，副邊對(duì)原邊進(jìn)行充電時(shí)，可以通過(guò)移相控制使得充電電流恒定。

??? 主程序流程圖和ADC的中斷服務(wù)程序流程圖分別如圖4和圖5所示，在軟件進(jìn)行移相控制實(shí)現(xiàn)輸出電壓可調(diào)的同時(shí)，軟件實(shí)現(xiàn)電壓環(huán)的調(diào)節(jié)，使輸出穩(wěn)壓。由于TMS320LF2407內(nèi)部帶有ADC模塊，因此，輸出電壓值通過(guò)電壓LEM采樣反饋給DSP的ADC模塊，在AD中斷程序里讀取采樣值，然后進(jìn)行數(shù)字濾波和數(shù)字PI調(diào)節(jié)，使輸出穩(wěn)壓。

圖4??? 主程序流程圖

圖5??? ADC中斷服務(wù)程序流程圖

??? 一般充電要求是恒流充電，所以，充電時(shí)反饋用電流環(huán),對(duì)原邊的充電電流進(jìn)行PI調(diào)節(jié)，實(shí)現(xiàn)恒流充電。本實(shí)驗(yàn)中原邊供電電源為蓄電池，由于其電壓為12V，真正要實(shí)現(xiàn)電流反向，使原邊的二極管導(dǎo)通，考慮到變壓器原副邊的變比為1：2，副邊電壓必須超過(guò)24V時(shí)才能實(shí)現(xiàn)電流反向，故必須得對(duì)副邊電壓采樣。對(duì)副邊電壓的采樣，不僅實(shí)現(xiàn)了PI調(diào)節(jié)，同時(shí)也用來(lái)控制雙向工作方式的切換。在雙向DC/DC的負(fù)載端電壓上升到一定程度時(shí)可以使能量倒流，對(duì)原邊進(jìn)行充電，使副邊多余的能量能夠反饋給原邊。

??? 電壓采樣和電流采樣是實(shí)現(xiàn)輸出電壓可調(diào)及穩(wěn)壓和充電電流恒定的關(guān)鍵，在DSP的中斷服務(wù)程序中對(duì)采樣值進(jìn)行數(shù)字濾波和PI調(diào)節(jié)。程序根據(jù)給定輸出電壓參考值和充電電流參考值進(jìn)行PI調(diào)節(jié)，當(dāng)原邊輸入電壓變動(dòng)時(shí)，副邊輸出電壓穩(wěn)定在給定值；而當(dāng)副邊負(fù)載電壓有波動(dòng)時(shí)也可以根據(jù)給定電流參考來(lái)調(diào)節(jié)相移大小，控制原邊充電電流值。數(shù)字式PI調(diào)節(jié)采用的是增量式PI控制，其系統(tǒng)框圖如圖6所示。由于DSP具有強(qiáng)大的計(jì)算能力以及EV(Event Manager)模塊，則PWM信號(hào)可以方便地得到，因此，硬件部分可以大大簡(jiǎn)化，控制電路部分可以全部省略而由軟件來(lái)代替，即軟件實(shí)現(xiàn)PI計(jì)算控制以及PWM信號(hào)的產(chǎn)生。但是，考慮到DSP的安全性問(wèn)題，必須有光耦隔離。

圖6??? 增量式PI控制系統(tǒng)框圖

3??? 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

??? 根據(jù)上述主電路工作原理分析,為證實(shí)數(shù)字化控制方法的有效性，制作了一臺(tái)實(shí)驗(yàn)樣機(jī)，開(kāi)關(guān)頻率為50kHz。對(duì)于圖2所示的主電路結(jié)構(gòu)，所選用元器件參數(shù)如下：S₁～S₈選用IRF840，V_in為蓄電池（12V，4A·h/20h，充電使用）；C₁為100μF，C₂為100μF；IRF840前級(jí)用TLP250驅(qū)動(dòng)，控制器用TMS320LF2407A，光耦采用6N137；電壓采樣LEM為電流型的LV25-P，原邊額定電流10mA，副邊對(duì)應(yīng)電流25mA，此輸入和輸出對(duì)應(yīng)精度為±0.9％；電流采樣LEM為HDC-040G系列霍爾電流傳感器，其輸出電壓2.5V±1V，精度為±1％。

??? 圖7（a）所示為副邊輸出10V時(shí)的實(shí)驗(yàn)波形，當(dāng)輸入電壓分別為10V，40V，50V時(shí)，S₂和S₄的驅(qū)動(dòng)波形分別如圖7（b），（c）， (d)所示，可見(jiàn)當(dāng)輸出電壓給定時(shí)，而輸入電壓可變，可以通過(guò)前文所提到的增量式數(shù)字PI控制實(shí)現(xiàn)移相控制，使輸出穩(wěn)壓得以實(shí)現(xiàn)。圖8為副邊輸出20V時(shí)的輸出電壓波形和各主開(kāi)關(guān)的驅(qū)動(dòng)波形。

(a)??? 10V輸出波形??? (b)??? 10V輸入時(shí)的驅(qū)動(dòng)波形

(c)??? 40V輸入時(shí)的驅(qū)動(dòng)波形??? (d)??? 50V輸入時(shí)的驅(qū)動(dòng)波形

圖7??? 副邊10V輸出原邊驅(qū)動(dòng)信號(hào)移相比較

(a)??? 20V輸出波形??? (b)??? 15V輸入時(shí)的驅(qū)動(dòng)波形

(c)??? 40V輸入時(shí)的驅(qū)動(dòng)波形??? (d)??? 50V輸入時(shí)的驅(qū)動(dòng)波形

圖8??? 副邊20V輸出原邊驅(qū)動(dòng)信號(hào)移相比較

??? 圖9所示為由原?對(duì)副邊進(jìn)行放電到副邊對(duì)原邊進(jìn)行充電工作模式切換的實(shí)驗(yàn)波形。其中圖9（a）所示為原邊對(duì)副邊放電時(shí)的原邊電池輸出電流采樣電阻電壓值；圖9（b）所示為副邊對(duì)原邊進(jìn)行充電時(shí)原邊輸入電流采樣電阻兩端的電壓值；

(a)??? 放電時(shí)原邊電流采樣??? (b)??? 恒流充電時(shí)原邊電電阻電壓值流采樣電阻電壓值

(c)??? 負(fù)載38V時(shí)??? (d)??? 負(fù)載60V時(shí)副邊驅(qū)動(dòng)波形副邊驅(qū)動(dòng)波形

圖9??? 放電和充電工作模式切換實(shí)驗(yàn)波形

??? 圖9（c）及圖9（d）為副邊對(duì)原邊進(jìn)行充電時(shí)負(fù)載側(cè)電壓可變時(shí)的副邊主開(kāi)關(guān)的驅(qū)動(dòng)信號(hào)。從實(shí)驗(yàn)波形可以看出當(dāng)負(fù)載側(cè)電壓可變時(shí)，由于原邊的輸入電流給定，為了維持該輸入電流不變，必須使副邊的控制信號(hào)移相，這樣才能滿足恒流充電的要求。采樣電阻阻值為10Ω，因此，蓄電池恒流輸入電流維持在0.2A。從實(shí)驗(yàn)波形得到證實(shí)，該數(shù)字PI控制實(shí)現(xiàn)了上述電壓輸出穩(wěn)定及可調(diào)和恒流充電的要求，同時(shí)PI的參數(shù)可以在程序里面方便修改，因此，實(shí)驗(yàn)調(diào)試比較方便。

4??? 結(jié)語(yǔ)

??? 通過(guò)對(duì)雙向DC/DC工作原理的分析，從數(shù)字控制的角度出發(fā)設(shè)計(jì)了DSP控制的雙向DC/DC變換器，并實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了文中所提到的控制方案的有效性和可行性。該方案簡(jiǎn)化了硬件電路，試驗(yàn)控制功能全部由軟件完成，實(shí)現(xiàn)了移相的功能，電壓可調(diào)性和穩(wěn)壓輸出都得到滿足。同時(shí)，也由軟件完成電路的雙向運(yùn)行，對(duì)蓄電池可以進(jìn)行恒流充電。