英飛凌XMC4500控制的移相全橋ZVS DC/DC變換器

王育浦

（北京理工大學電動車輛國家工程實驗室，北京100081）

英飛凌XMC4500控制的移相全橋ZVS DC/DC變換器

王育浦

（北京理工大學電動車輛國家工程實驗室，北京100081）

移相全橋變換器移相PWM信號的產(chǎn)生方式主要有模擬電路控制和數(shù)字電路控制兩種。首先分析了數(shù)字控制與模擬控制對系統(tǒng)整體性能的影響；然后簡要介紹了移相全橋DC/DC變換器PWM信號的特點，并提出了以XMC4500為基礎的數(shù)字控制方案的硬件設計和雙閉環(huán)控制流程；最后詳細介紹了數(shù)字控制的具體實現(xiàn)過程，并通過樣機試驗證明了數(shù)字化控制的可行性。

移相全橋；DC/DC變換器；數(shù)字化控制；非對稱比較

引言

ZVS（Zero-Voltage-Switching，移相全橋）DC/DC轉換器是一款適用于中大功率場合的直流轉換器，它可充分利用功率器件的寄生參數(shù)和諧振電感實現(xiàn)功率開關的零電壓導通，降低開關管的導通損耗，減小了系統(tǒng)的體積和重量［1］，提高了開關管的開關頻率和系統(tǒng)的轉換效率。

實現(xiàn)全橋變換器的移相PWM控制的方法很多，傳統(tǒng)的控制方法可利用集成控制芯片搭建模擬控制電路來實現(xiàn)反饋調節(jié)，產(chǎn)生具有一定相位差的PWM控制波形。隨著數(shù)字信號處理技術的快速發(fā)展，各種微控制器的性價比不斷提高，數(shù)字控制已經(jīng)成為了大中功率開關電源的發(fā)展趨勢。與模擬控制相比，數(shù)字控制可以完成復雜的控制算法，且不存在溫漂，避免了模擬信號的畸變失真，減小雜散信號的干擾，并且可以實現(xiàn)通信和網(wǎng)絡控制的功能，使控制系統(tǒng)具有更好的穩(wěn)定性和更強的靈活性［2］。數(shù)字控制的這些優(yōu)點大大提高了變換器的整體性能，使得變換器成為具有高精度、高可靠性、高效率和高功率密度的設備。

本文針對工程中廣泛應用的帶同步整流功能的移相全橋ZVS DC/DC變換器，利用英飛凌新推出的XMC4500系列控制芯片，將數(shù)字控制成功引入到高頻DC/DC變換器應用場合，不僅實現(xiàn)了模擬控制的全部功能，而且具備了數(shù)字系統(tǒng)所特有的高性能、控制靈活等優(yōu)點。

1 移相全橋ZVS DC/DC變換器主電路拓撲結構

移相全橋ZVS DC/DC轉換器的電路拓撲結構如圖1所示。

圖1 移相全橋ZVS DC/DC拓撲結構

在變壓器的原邊電路中，采用的是全橋逆變電路。Q1～Q4為IGBT或MOSFET功率開關器件，D1～D4分別為Q1～Q4的寄生二極管，C1～C4為Q1～Q4的寄生電容或外接電容。Lr為諧振電感，它包括變壓器漏感和外接電感。

在變壓器的副邊，采用的是全橋整流電路。因為該轉換器的輸出電流很大，若使用整流二極管，會產(chǎn)生很大的功耗。由于功率MOSFET的通態(tài)電阻很小，可以達到幾mΩ，因此可使用低壓大電流的MOSFET替代傳統(tǒng)DCDC轉換器中的續(xù)流二極管或整流二極管，降低功耗，提高電源的轉換效率。功率MOSFET屬于電壓控制型器件，用功率MOSFET做整流器時，要求柵極電壓必須與被整流電壓的相位保持同步才能完成整流功能，故稱之為同步整流［3］。圖1中SR1～SR4即表示MOSFET管。

移相全橋ZVS DC/DC轉換器本質上是一種PWM控制方式，但與傳統(tǒng)的PWM控制又有很大的區(qū)別：每一橋臂上的兩個功率開關相差180°互補導通；其中一個橋臂上兩個功率開關的導通角分別以一定的相位滯后于另一橋臂上所對應的功率開關。也就是說，逆變橋四個開關管本身的占空比沒有改變，而是通過調整相應開關管的相位差，來實現(xiàn)變壓器原邊電壓占空比的改變，即所謂的移相控制方式。

在一個開關周期中，移相全橋ZVS DC/DC轉換器有12種開關狀態(tài)［4］，采用移相全橋ZVS控制方式，可充分利用功率開關器件的寄生電容或外接電容來實現(xiàn)開關管的零電壓導通，電路結構簡單、可靠性高。

其主電路主要波形如圖2所示。

圖2 移相全橋ZVS DC/DC主電路主要波形

圖2中UAB表示變壓器原邊電壓，ip表示變壓器原邊電流，U2表示變壓器次級電壓。

由各開關器件的控制信號波形可以看出，每個橋臂的兩個開關互為180°互補導通，左橋臂的兩個開關（Q1和Q2）的導通相位分別比右橋臂的功率開關（Q4和Q3）提前了一個相位，所以左橋臂為超前臂，右橋臂為滯后臂。

2 變換器移相控制系統(tǒng)設計

2.1 移相控制系統(tǒng)的硬件控制

控制系統(tǒng)采用英飛凌公司的32位微控制器XMC4500作為主控芯片。圖3為該變換器控制系統(tǒng)的結構框圖，采用雙閉環(huán)控制策略，對輸出電壓Vo進行閉環(huán)控制。電壓外環(huán)和電流內環(huán)均采用PI調節(jié)運算，最終電流內環(huán)的調節(jié)結果作為有效的占空比信號，通過CCU8單元產(chǎn)生PWM移相控制信號。隔離驅動電路產(chǎn)生驅動信號來控制逆變電路開關管的導通與關斷，使變換器輸出電壓，達到所需要求?？刂葡到y(tǒng)的主要功能模塊包括：

①CCU8單元：PWM移相控制脈沖的產(chǎn)生；

②ADC單元：模擬信號的數(shù)字轉換；

③I/O口：狀態(tài)判斷與復位控制等；

④CAN通信單元：與整車進行通信。

圖3 移相全橋轉換器控制流程圖

數(shù)字DC/DC變換器系統(tǒng)采用經(jīng)典的雙閉環(huán)控制算法，包括電壓外環(huán)和電流內環(huán)，如圖4所示。

圖4 雙閉環(huán)控制原理框圖

雙閉環(huán)控制的原理是［4］：外環(huán)電壓與參考電壓比較后，經(jīng)過PI運算，將運算結果作為電流內環(huán)的參考值，采樣獲得的電流與該參考值比較后，經(jīng)過PI調節(jié)運算后，將運算結果與三角波比較，產(chǎn)生驅動信號驅動逆變橋。

2.2 移相控制系統(tǒng)的軟件控制

數(shù)字控制器程序流程包括4部分：主程序、電壓環(huán)和電流環(huán)PI計算CCU8周期重載中斷和外部故障處理。主程序完成ADC、CCU8等模塊的初始化工作，然后進入一個循環(huán)，等待中斷發(fā)生。

系統(tǒng)中斷響應包括A/D轉換采樣中斷（進行電壓環(huán)PI計算、電流環(huán)PI計算）、CCU8單元重載中斷，以及CAN通信中斷3個中斷源，并規(guī)定它們的優(yōu)先級從高到低依次為CCU8周期重載中斷、A/D采樣中斷、CAN通信中斷。

外部故障處理主要包括過壓檢測、過流檢測以及過溫保護，當ADC采樣到的這些值超過限定值時產(chǎn)生中斷，并使I/O端口置低或置高響應的電平，從而使系統(tǒng)停止工作，起到故障保護的作用。

3 XMC4500全橋移相控制的實現(xiàn)

數(shù)字化控制可以實現(xiàn)模擬控制難以做到的復雜控制算法，使系統(tǒng)的硬件兼容性更好。借助英飛凌XMC4500系列MCU的高速運算性能和豐富集成外設資源，就能成功地將數(shù)字信號控制引入到高頻DC/DC變換器中，完成同步整流移相全橋DC/DC變換器的數(shù)字控制應用，并取得良好的控制效果。

3.1 CCU8單元移相PWM的產(chǎn)生

ZVS全橋變換器移相控制需要4路獨立的驅動信號，并滿足以下條件［5］：

①同一橋臂上下兩管的驅動波形呈180°互補；

②4路驅動信號的占空比D大小固定，在忽略死區(qū)時間影響條件下取D=0.5；

③對角超前橋臂功率管的驅動信號領先滯后橋臂功率管一個移相角0°，其范圍為0°～180°，并根據(jù)系統(tǒng)閉環(huán)調節(jié)結果進行動態(tài)調整。

XMC4500的CCU8定時器單元內部具有4個獨立的PWM發(fā)生器（PWM1～PWM4），每個PWM發(fā)生器可產(chǎn)生兩路互補的PWM波形。CCU8模塊的PWM發(fā)生器具有獨特的非對稱PWM輸出模式，每個PWM發(fā)生器具有兩個可編程比較寄存器，即當PWM工作在互補中心對齊模式時，PWM占空比可在半周期獨立設置。PWM的計數(shù)方向決定PWM模寄存器的選擇，如在增量計數(shù)時選擇奇數(shù)模寄存器有效，在減量計數(shù)時選擇偶數(shù)模寄存器有效，由此即可完成非對稱PWM輸出的獨特功能。

每一個CCU88定時器單元提供兩個獨立的8位死區(qū)時間計數(shù)器，可以在兩個比較通道中上升和下降沿產(chǎn)生獨立的死區(qū)時間值，可以在功率級應用上用于短路保護，死區(qū)時間可以通過相應的寄存器由軟件設置。

相關映射寄存器會根據(jù)下列事件進行映射傳送比較寄存器重載，改變PWM發(fā)生器的比較值：

①增量計數(shù)時，周期匹配后的下一個時鐘周期內；

②減量計數(shù)時，匹配后的下一個時鐘周期內；

③定時器停止或傳送請求被觸發(fā)時立刻發(fā)生。

這意味著當周期匹配事件時，在映射傳送事件發(fā)生之前最后一個時鐘周期內的短暫時間內使用周期匹配中斷服務，仍來得及設置轉移使能請求，通常使用比較事件中斷實現(xiàn)。然而，即使當一個比較寄存器的值等于周期寄存器值時，仍能準確地設置傳送使能請求。換句話說：整個定時器周期可以用于設置傳送使能位。

在本文所論述的電源系統(tǒng)中，PWM1產(chǎn)生兩路互補通道，驅動超前橋臂；PWM2產(chǎn)生兩路互補通道，驅動滯后橋臂，條件①即得到滿足。要實現(xiàn)條件②、③的功能，PWM發(fā)生器需要配置為中心對齊的非對稱PWM輸出模式。采用這種輸出模式，計數(shù)寄存器中的計數(shù)值增量計數(shù)到達奇數(shù)模寄存器設定值Value1時，PWM輸出信號由低變高；當計數(shù)寄存器計數(shù)到計數(shù)周期寄存器值后變?yōu)闇p量計數(shù)、減到偶數(shù)模寄存器設定值Value2后，輸出再次翻轉，由高變低。根據(jù)PWM產(chǎn)生方法可知，當比較寄存器值確定后，即確定了對應的PWM正脈寬大小以及兩對PWM之間移相角的大小，即：

正脈寬=2Th-PWMx_Value2-PWMx_Value1

移相角=PWM2_Value1-PWM1_Value1

其中，Th為PWM波半周期對應的計數(shù)值；x取值為1 或2。

要保持輸出占空比大小不變，需要使同一PWM發(fā)生器的Value2跟隨Value1變化，即保持2Th-PWMx_Value2-PWMx_Value1為常數(shù)。同時，改變不同PWM發(fā)生器之間Value1的值，即可改變兩對PWM波之間的相位差。

根據(jù)XMC4500的CCU8定時器單元的工作機理，便可以將雙閉環(huán)控制采用PI調節(jié)運算的結果PI_result經(jīng)過歸一化處理后，作為CCU8單元比較寄存器比較值的改變量，從而使滯后臂的PWM信號產(chǎn)生相應的移相角。CCU8單元具體的移相PWM控制方式如圖5所示。

3.2 A/D轉換單元

XMC4500提供了一系列連接到一個A/D轉換器集群的模擬輸入通道，這些A/D轉換器采用逐次逼近寄存器（SAR）原理將模擬值（電壓）轉換為離散數(shù)字值。

A/D轉換器集群里的每個轉換器都可以獨立于其他轉換器單獨工作，每個轉換器都有一組專用的寄存器控制，并由一組專用的請求源觸發(fā)。這些基本結構支持面向應用的編程和操作，并提供對所有資源的訪問，所有轉換器組幾乎完全相同，支持靈活的通道分配功能。

圖5 CCU8定時器單元移相PWM波形示例

在XMC4500中，ADC具有多種啟動方式，既可以用軟件直接激活相應的轉換請求源，又可利用外部事件同步激活請求源，例如用定時器產(chǎn)生的PWM信號或者來自端口引腳的信號作為觸發(fā)脈沖。

通過軟件設定可將ADC采樣時刻與PWM中心時刻調整成精確同步，即在每次CCU8單元匹配中斷中采用軟件同步啟動ADC。對于不同的占空比輸出情況，此時功率器件的開關狀態(tài)均已完成，ADC采樣也就能有效避免功率開關干擾，從而真實反映模擬采樣結果。

對于一般的微控制芯片內部ADC功能模塊，中斷響應比較單一，只能在全部采樣結束后產(chǎn)生一個中斷響應。在XMC4500的ADC模塊里，除了采樣結束中斷外，每路A/D轉換通道均提供了多種硬件中斷響應，即每路A/D轉換通道根據(jù)實時采樣結果自動產(chǎn)生上限溢出中斷、過零中斷和下限溢出中斷。這一特性對于電力電子應用也很有幫助，例如對于電感電流的采樣，如果將最大允許電感電流或輸入電壓定義成通道采樣的門限值，即可自動完成電感電流的過流保護和輸入電壓的過壓保護。所有這些功能均由單片機內部硬件自動完成，并不需要任何額外的軟硬件開銷，這對于高頻應用尤為重要。

4 實驗結果

為了驗證采用XMC4500進行數(shù)字控制的可行性，試制了一臺移相全橋 ZVS DC/DC轉換器樣機，外接XMC4500的最小系統(tǒng)對轉換器進行控制。該轉換器可實現(xiàn)160～350 V的直流電壓輸入，14 V電壓輸出，功率為2.7 kw，工作頻率為100 kHz，閉環(huán)控制采用經(jīng)典的PI控制。最終的實驗結果表明，XMC4500可以實現(xiàn)移相PWM控制信號輸出，且可以使輸出電壓很好的穩(wěn)定在14 V，具有良好的穩(wěn)態(tài)特性。

［1］San Maniktala.精通開關電源設計［M］.北京：人民郵電出版社，2008.

［2］陳國超，張昆侖.移相全橋ZVS ZCS變換器雙閉環(huán)控制系統(tǒng)設計［J］.通信電源技術，2010，27（5）.

［3］黃漢生，闞玉紅.同步整流技術及其應用［J］.電源世界，2006（4）：1-7.

［4］劉勝利，嚴仰光.軟開關移相控制全橋變換器一周期十二個工作過程的詳細分析［C］//第十三屆全國電源技術年會論文集，1999：118-127.

［5］陳新，Charlie Wu，W Hutchings.基于DSC控制的移相全橋DC/DC變換器［J］.電力電子技術，2006，40（5）.

Control of Phase-shift Full-bridge ZVS DC/DC Converter Based on Infineon XMC4500

Wang Yupu

（National Engineering Laboratory for Electric Vehicles，Beijing Institute of Technology，Beijing 100081，China）

There are two ways to generate PWM signal of phase-shifted full-bridge converter which are analog circuit and digital circuit.Firstly，the paper analyzes the performance advantages of the digital and analog control，then introduces the characteristics of PWM signal of phase-shift full-bridge DC/DC converter，and the scheme of hardware design and control flow of double closed-loop are put forward on the basis of XMC4500.Finally the implementation process of digital control is introduced in detail.The results of prototype experiment prove that the digital control design is feasible.

phase-shift full-bridge；DC/DC converter；digital control；asymmetrical comparison

TP212

A

楊迪娜

2014-12-17）