基于DSP數(shù)字控制的零電壓全橋三電平DC-DC變換器實(shí)驗(yàn)裝置研制

孫鐵成，王 鈺，郭 超，鞠雪強(qiáng)

(哈爾濱工業(yè)大學(xué) 電氣工程及自動化學(xué)院，黑龍江 哈爾濱 150001)

電力電子技術(shù)是電氣工程專業(yè)一門重要的專業(yè)基礎(chǔ)課，而課程實(shí)驗(yàn)是對課程教學(xué)的有益補(bǔ)充[1]。伴隨著電力電子技術(shù)的發(fā)展，新型電路拓?fù)浜涂刂品椒ú粩嘤楷F(xiàn)。同時由于人們對于電力電子裝置的電壓等級、功率等級、效率及注入諧波等要求的不斷提高,多重化技術(shù)、多電平和軟開關(guān)等一系列新技術(shù)成為電力電子技術(shù)中的研究熱門。以DC-DC為例，學(xué)生學(xué)習(xí)到的不再僅僅是Buck、Boost等一些基礎(chǔ)拓?fù)洹５珎鹘y(tǒng)的DC-DC變換實(shí)驗(yàn)仍基于Buck等簡單的電路，這很難培養(yǎng)起學(xué)生對于實(shí)驗(yàn)的熱愛。此外，變換器的傳統(tǒng)的控制方法采用模擬控制芯片,如UC1875等[2],存在實(shí)現(xiàn)困難、抗干擾能力差等缺點(diǎn)。本次設(shè)計的實(shí)驗(yàn)裝置以TI公司的TMS320F2812作為控制器。TMS320F2812廣泛應(yīng)用于工業(yè)控制場合，它具有2個事件管理器，每一個事件管理器可以編程控制輸出8路PWM波，并可以完成上下橋臂死區(qū)時間的設(shè)置。它內(nèi)部集成了12位的AD轉(zhuǎn)換模塊，方便對輸出電壓、電流進(jìn)行采樣，而不需要外加芯片。同時，該芯片最高的工作頻率是150 MHz，其快速性可以很好地滿足電力電子裝置中的采樣、PI調(diào)節(jié)、PWM波輸出等功能[3-4]。

基于以上因素，設(shè)計了一套基于DSP數(shù)字控制、采用移向斬波控制策略的零電壓全橋三電平DC-DC變換器。以滿足學(xué)生對于新型電力電子技術(shù)以及數(shù)字控制方法的學(xué)習(xí)和實(shí)踐需求。

1 實(shí)驗(yàn)裝置系統(tǒng)設(shè)計

全橋結(jié)構(gòu)是國內(nèi)外DC-DC變換器中最常用的電路拓?fù)渲?，在中大功率?yīng)用場合更是首選，得到了廣泛的研究[5-7]。這其中全橋三電平零電壓變換器具有更高的功率等級，且適用于更高的電壓等級，具有很高的研究價值。但傳統(tǒng)拓?fù)浯嬖跍髽虮哿汶妷洪_關(guān)范圍窄、占空比丟失嚴(yán)重、輸出整流二極管反向電壓過沖、轉(zhuǎn)換效率較低等不足[8-10]。本文設(shè)計的零電壓全橋三電平DC-DC變換器實(shí)驗(yàn)裝置以全橋DC-DC變換器為基礎(chǔ)，以TI公司的TMS320F2812為控制器，采用移相斬波控制，實(shí)現(xiàn)各主功率管的軟開關(guān)，并通過加入輔助網(wǎng)絡(luò)解決滯后管實(shí)現(xiàn)軟開關(guān)難的問題。副邊采用倍流整流電路，使整流二極管自然換流，解決了變壓器副邊電壓過沖和占空比丟失的問題。該設(shè)備主要應(yīng)用于電力電子技術(shù)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)，讓學(xué)生可以親自動手操作變換器，觀察三電平技術(shù)和軟開關(guān)技術(shù)相應(yīng)的實(shí)驗(yàn)波形。本次開發(fā)的實(shí)驗(yàn)掛箱電路及內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 實(shí)驗(yàn)掛箱

該掛箱與電力電子技術(shù)實(shí)驗(yàn)課程的實(shí)驗(yàn)平臺可配套使用，實(shí)驗(yàn)時掛箱可以掛在實(shí)驗(yàn)臺上，為實(shí)驗(yàn)提供了一個良好的操作環(huán)境。

變換器的設(shè)計系統(tǒng)框圖見圖2，該實(shí)驗(yàn)裝置由主電路和輔助電路組成。其中主電路包括輸入整流電路、三電平全橋逆變電路、倍流整流電路、輸出濾波電路。輔助電路包括MOS管的驅(qū)動電路、輸出過壓和欠壓保護(hù)電路、輸出過流保護(hù)電路。以TI公司的TMS320F2812作為控制器，完成PWM信號的給定、輸出電壓和電流的采樣、輸出電壓的閉環(huán)控制。驅(qū)動電路的作用是將DSP輸出的信號轉(zhuǎn)換成-5～14 V的MOS管驅(qū)動信號并實(shí)現(xiàn)主電路和控制電路的隔離。各種保護(hù)電路確保了實(shí)驗(yàn)設(shè)備工作時不會出現(xiàn)欠壓、過壓以及過流的非正常工作狀況。體現(xiàn)了該電源裝置的安全性和對用電設(shè)備的保護(hù)作用。

圖2 零電壓全橋三電平DC-DC變換器系統(tǒng)框圖

2 變換器系統(tǒng)設(shè)計方案

2.1 主電路拓?fù)涞脑O(shè)計

全橋型變換器是一種常用的隔離式DC-DC變換器，廣泛應(yīng)用于中大功率場合。但隨著用電設(shè)備的發(fā)展，對電源的功率等級提出了進(jìn)一步的要求。本實(shí)驗(yàn)提出的三電平零電壓DC-DC變換器，其開關(guān)管兩端承受的電壓應(yīng)力為輸入直流電壓的一半，開關(guān)管電壓應(yīng)力大大減小，使其在高電壓大功率場合下得到廣泛的應(yīng)用[11]。同時，由于采用了軟開關(guān)技術(shù)，使得MOS管的開關(guān)損耗大大降低，這樣可以進(jìn)一步提升開關(guān)電源的工作頻率，有利于減小高頻變壓器的體積,從而在整體上實(shí)現(xiàn)效率的提高以及提升功率體積比。

本實(shí)驗(yàn)裝置主電路如圖3所示，該電路由Q1—Q4及其反并聯(lián)二極管D1—D4、分壓電容Cd1和Cd2、續(xù)流二極管D7和D8、飛跨電容Css組成三電平橋臂。其中，飛跨電容的作用是使電路的斬波管和超前管的充放電過程實(shí)現(xiàn)解耦。由Q5—Q6及其反并聯(lián)二極管D5—D6構(gòu)成兩電平橋臂[12]。變壓器原邊加入了輔助網(wǎng)絡(luò)幫助滯后橋臂實(shí)現(xiàn)開關(guān)管的軟開通，變壓器副邊采用了倍流整流電路，這樣在副邊整流過程中只有一個二極管壓降，有利于提高整機(jī)效率。

圖3 零電壓全橋三電平DC-DC變換器拓?fù)?/p>

變換器的控制信號和電路主要工作波形如圖4所示。其中，Q1和Q4是斬波管，Q2和Q3是超前管，Q5和Q6是滯后管。這種移相斬波控制給開關(guān)管實(shí)現(xiàn)零電壓開關(guān)創(chuàng)造了條件。

圖4 信號波形

2.2 輔助電路的設(shè)計開發(fā)

此實(shí)驗(yàn)裝置的輔助電路部分主要包含開關(guān)管的驅(qū)動電路及各保護(hù)電路。其中驅(qū)動部分采用了隔離變壓器KD101，它將0～3.3 V的DSP輸出的控制信號變壓到-5～14 V的驅(qū)動信號，同時實(shí)現(xiàn)控制電路和主電路的隔離。驅(qū)動電路如圖5所示。

保護(hù)電路包括輸出過流保護(hù)以及過壓、欠壓保護(hù)，具體電路分別見圖6和圖7。其中，電流保護(hù)電路是采用霍爾傳感器將輸出電流信號轉(zhuǎn)換成電壓信號與給定值比較，出現(xiàn)過流時，將產(chǎn)生低電平的過流信號。電壓保護(hù)電路首先通過電壓隔離模塊實(shí)現(xiàn)控制電路與主電路的隔離。然后進(jìn)行分壓，并分別與設(shè)定的過壓和欠壓值進(jìn)行比較，一旦出現(xiàn)過壓欠壓的情況，將輸出低電平信號。當(dāng)出現(xiàn)以上故障情況時，保護(hù)執(zhí)行電路(見圖8)將動作。保護(hù)動作共有兩級，當(dāng)產(chǎn)生保護(hù)信號時，與門輸出低電平，經(jīng)反相器使兩個三極管導(dǎo)通。三極管導(dǎo)通后，DSP的PDPINTA引腳便被拉低，DSP輸出信號被封鎖，開關(guān)管關(guān)斷，主電路停止工作。另一級保護(hù)是，串入主電路的繼電器常閉觸點(diǎn)斷開實(shí)現(xiàn)斷電。這樣在硬件和軟件上同時設(shè)計了保護(hù)功能，保證了裝置的安全。

2.3 實(shí)驗(yàn)裝置控制程序的開發(fā)

在該實(shí)驗(yàn)裝置中，DSP主要功能是實(shí)現(xiàn)PWM信號的產(chǎn)生以及電壓和電流的采樣，并完成閉環(huán)控制和保護(hù)功能。該裝置的工作頻率為80 kHz，DSP芯片TMS320LF2812的最高時鐘頻率為150 MHz，且具有專門用于PWM信號產(chǎn)生的EV模塊，可方便地生成死區(qū)可調(diào)的PWM脈沖[13]。其電壓閉環(huán)調(diào)節(jié)的程序流程圖如圖9所示。DSP對輸出電壓進(jìn)行采樣，并將采樣電壓與給定電壓進(jìn)行比較。采用PI控制算法，計算并產(chǎn)生新的PWM脈沖信號，實(shí)現(xiàn)對輸出電壓的調(diào)節(jié)。

圖5 驅(qū)動電路

圖6 輸出過流保護(hù)

圖7 輸出過壓、欠壓保護(hù)

圖8 保護(hù)執(zhí)行電路

圖9 程序流程圖

3 裝置實(shí)驗(yàn)測試

根據(jù)以上理論完成的實(shí)驗(yàn)樣機(jī)，主要性能指標(biāo)如下：

直流輸入電壓：80 V～110 V；

直流輸出電壓：24 V；

額定輸出電流：10 A；

負(fù)載調(diào)整率：<1%；

紋波系數(shù)：<0.5%;

開關(guān)頻率：80 kHz；

額定負(fù)載變換器效率：>85%

實(shí)驗(yàn)樣機(jī)各主要波形如圖10所示。其中10(a)為斬波管驅(qū)動信號與漏源電壓波形，可以清楚地看到漏源電壓在驅(qū)動信號到來之前，已經(jīng)降為零了，很好地實(shí)現(xiàn)了軟開通；關(guān)斷時利用MOSFET結(jié)電容兩端電壓不能瞬變，近似地完成了零電壓關(guān)斷，斬波管較好地實(shí)現(xiàn)了零電壓開關(guān)。圖10(b)和圖10(c)分別是超前管和滯后管驅(qū)動波形和漏源電壓波形。它們同樣利用開關(guān)管的結(jié)電容和變壓器的漏感，實(shí)現(xiàn)了零電壓開關(guān)。圖10(d)和圖10(e)是變壓器原邊和副邊波形，可以很好地看到三電平波形，并且在變壓器副邊波形沒有電壓振蕩出現(xiàn)。圖10(f)是輸出電壓波形，輸出電壓的紋波峰峰值為75 mV，輸出電壓為24 V，計算得輸出電壓紋波系數(shù)為0.31%，滿足紋波系數(shù)小于0.5%的設(shè)計要求。

圖10 實(shí)驗(yàn)樣機(jī)主要波形

實(shí)驗(yàn)樣機(jī)的效率測試數(shù)據(jù)見表1。隨著電流的不斷增大，變換器的效率逐漸提高，當(dāng)負(fù)載電流約10 A時，效率為85.2%，達(dá)到預(yù)期設(shè)定的指標(biāo)。表2所示是輸出電壓與負(fù)載電流的關(guān)系，即實(shí)驗(yàn)裝置的負(fù)載調(diào)整率，從表2數(shù)據(jù)可以算出，實(shí)驗(yàn)樣機(jī)的負(fù)載調(diào)整率為0.29%，滿足要求。

表1 實(shí)驗(yàn)裝置效率數(shù)據(jù)

表2 實(shí)驗(yàn)裝置負(fù)載調(diào)整率數(shù)據(jù)

4 實(shí)驗(yàn)裝置的用途

該實(shí)驗(yàn)掛箱面板上的各測試點(diǎn)與電路板相連接，學(xué)生在做實(shí)驗(yàn)時可以方便地測得各點(diǎn)波形。具有實(shí)驗(yàn)安全、操作簡便、測試方便、便于觀察和學(xué)習(xí)等優(yōu)點(diǎn)。該實(shí)驗(yàn)可以分成兩大部分：

(1) DSP編程軟件CCStudio的學(xué)習(xí)和使用。學(xué)習(xí)使用C語言對DSP進(jìn)行編程，使用ICETEK仿真器完成電腦與實(shí)驗(yàn)裝置的通信，將寫好的程序燒寫到DSP中,并通過示波器觀察DSP輸出的6路PWM信號是否正確。并且可以通過CCStudio查看程序，在線修改程序，軟件調(diào)試方便。

(2) 變換器的調(diào)試。將正確的驅(qū)動信號送給主電路的MOSFET，并通過面板上的測試點(diǎn)觀察輸出的三電平波形。并且可以通過同時觀察MOSFET兩端電壓與其驅(qū)動信號，觀察開關(guān)管實(shí)現(xiàn)軟開關(guān)的波形。

該實(shí)驗(yàn)裝置與教材內(nèi)容結(jié)合緊密，對于學(xué)生學(xué)習(xí)和實(shí)踐三電平和軟開關(guān)技術(shù)具有很好的指導(dǎo)效果。該裝置已用于本科生的電力電子技術(shù)實(shí)驗(yàn)及本科生的畢業(yè)設(shè)計工作。

5 結(jié)束語

自主研制了基于DSP控制的零電壓三電平DC-DC變換器實(shí)驗(yàn)裝置。該裝置采用了三電平技術(shù)和軟開關(guān)技術(shù)等較新的電力電子技術(shù)，具有與理論課程結(jié)合緊密、技術(shù)先進(jìn)、安全可靠、易于操作、便于學(xué)習(xí)、軟件調(diào)試方便等優(yōu)點(diǎn)。非常適合在電力電子實(shí)驗(yàn)教學(xué)環(huán)節(jié)中讓學(xué)生動手實(shí)踐。讓學(xué)生親自動手測得三電平波形，并觀察軟開關(guān)的實(shí)現(xiàn),是對現(xiàn)代電力電子技術(shù)課程的一個很好的補(bǔ)充和輔助。

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