DSP控制下全橋軟開關(guān)DC/DC變換器的研究

王 鑫，曾繁政，張 黎

（賀州學(xué)院，廣西 賀州 542899）

DSP控制下全橋軟開關(guān)DC/DC變換器的研究

王 鑫，曾繁政，張 黎

（賀州學(xué)院，廣西 賀州 542899）

ZVS變換器性能十分優(yōu)良，而且由于ZVS開關(guān)能夠在零電壓軟開關(guān)下工作，其損耗變得十分低，加上結(jié)構(gòu)更加簡單，因此在DC/DC變換場合應(yīng)用廣泛。

DC/DC變換器；DSP；零電壓開關(guān)

1 DC/DC變換器工作原理

這一變換器使用的是全橋結(jié)構(gòu)，如圖1所示，在次一級上所采用的全波整流，為了降低導(dǎo)通損耗，在進(jìn)行副邊設(shè)計時采用了反并聯(lián)續(xù)流二極管DX。在變換器當(dāng)中采用一個耦合電感實(shí)現(xiàn)開關(guān)的ZVS進(jìn)行變壓處理。在變換器當(dāng)中將一個隔直電容串聯(lián)在橋壁和耦合電感之間，在具體工作當(dāng)中隔直電容能夠有效防止偏磁和變壓器鐵芯飽和。在對變換器進(jìn)行控制時采用移向控制的模式。

圖1 新型全橋ZVS PWM DC/DC變換器等效原理

在一個開關(guān)周期當(dāng)中，這一變換器總共有12種開關(guān)模態(tài)。在對DC/DC工作原理進(jìn)行研究之前，必須要對整個電路進(jìn)行合理簡化：如果在具體的研究工作當(dāng)中濾波的電感值達(dá)到一定程度，那么可以將其等同于輸出電流Io的恒流源，如果Cb1和Cb2兩個電容的電容值足夠大，就可以將兩個電容值足夠大的電容看作是恒壓電源Vcb1和Vcb2。其原因在與在一個開關(guān)的周期之內(nèi)，變壓器與耦合電感之間的電壓均值是0，且變換器的橋壁開通的時間均占到整個周期的1/2。這樣Vcb1以及Vcb2的值都為Vin/2。為了使研究工作能夠進(jìn)一步簡化，在實(shí)際研究當(dāng)中可以建設(shè)二極管和MOS管都是理想器件。并且在進(jìn)行研究的過程當(dāng)中變壓器、耦合電感等的勵磁電感均都忽略。耦合電感LC可以被看作是nLC=1的理想變壓器，Lm與其并聯(lián)，在對整個電路進(jìn)行合理的簡化之后，其等效電路如圖1所示。

1.1 t0～ t1時間段

在t0～t1時間端上，Q1和Q3會閉合，與此同時i1以及i2回經(jīng)過開關(guān)管、阻斷電容、LC流進(jìn)變壓器TR的初級線圈，兒且輸出電流Io會通過變壓器副邊繞組。此時，ip=i1+i2=i0/nTr，nTR=Np/Ns代表了變壓器中的變化，ip具體指的是通過變壓器原邊的電流。在這個時間段，A，B兩點(diǎn)的點(diǎn)位都是Vin/2，因此，電壓VAB=0，同時由于VAB=VAC+VCB=0，并且VAC=VAB，那么VAC，VAB都是0，這說明A，B，C 3個點(diǎn)的點(diǎn)位是相同的。這樣處理線圈的電壓Vp=Vin/2。因?yàn)閂AC=ACB=0，所以iM的值是恒定不變的。此外，由于nLC=1，因此電流i3和i4是相同的，并且其值都是ip/2，i1=ip/2+iM，i2=ip/2-iM。如果時間t=t1，此時的Q1回關(guān)閉，因?yàn)榇藭r的C1電容的電壓是0，那么Q1能夠?qū)崿F(xiàn)零電壓關(guān)斷。電流i1流經(jīng)Q1到C1。

1.2 t1～ t2時間段

在Q1被關(guān)斷之后，C1回充電，并且C2能夠放電，此時A點(diǎn)的點(diǎn)位回下降，當(dāng)C1電容的充電達(dá)到電源電壓Vin時，且C2放電為0時，A點(diǎn)的電位從Vin/2到-Vin/2時，因?yàn)锽點(diǎn)的電位沒有發(fā)生變化，維持在Vin/2，并且當(dāng)t=t2時，VAB就會變化為-Vin/2，此時的通過耦合關(guān)系能夠得出C點(diǎn)的電壓是0，這樣Vp也會明顯降低，并最終回降低到0。此時的iM基本上會處于最大值的狀態(tài)，并且i1也同樣處于最大的狀態(tài)當(dāng)中，并且C1上的電壓能夠順利地充電到電源電壓當(dāng)中，C2電容上的電壓能夠到0 V。

1.3 t2～ t3時間段

在C2完成放電之后，這時反并聯(lián)二極管D2就會打開，Q2同樣也會打開，并且這時的Q2是0電壓開通的。此時，因?yàn)閂AB和Vin是相同，那么這時的iM就會以Vin/LM的斜率下降。在這一個過程當(dāng)中，ip是保持不變的狀態(tài)，并且其具體的值就是Io/nTR，由于i1=ip/2+iM，并且i2=ip/2-iM，那么i1以及i2都能夠以一樣的速率進(jìn)行變化。當(dāng)t=3時，iM的值會變成0。

1.4 t3～ t4時間段

在iM=0的時刻，在LM上的電壓VAB=-Vin，這樣，iM能夠以Vin/LM能夠以反方向上升，此時就會出現(xiàn)i1不斷下降以及i2不斷上升的結(jié)果，這樣就可以滯后臂的0電壓開關(guān)做好準(zhǔn)備工作。在整個系統(tǒng)中的電流方向除了iM反向之外，其余電流的方向是不會發(fā)生變化的。勵磁電流iM在t=t4時的值是最大的，并且這一時刻i1的值是最小的，i2的值也是最大的，這時Q3會關(guān)斷，i2需要從Q3轉(zhuǎn)移到C3電容上，這樣C3就會被充電，并且C4容易被放電。

1.5 t4～ t5時間段

在C3上的電壓變化為電容電壓時，C4電容上的電壓就會降低到0，同時電位會由原來的Vin/2逐漸下降為-Vin/2。在這一過程當(dāng)中A點(diǎn)的電位是不會發(fā)生變化的，并且VAB可以從原先的-Vin變成0。通過對上文的分析研究，得知如果在A，B兩點(diǎn)的電壓變成VAB的值是0的時候，那么A，B，C三者的電位是一樣的。那么這個時候的Vp就會從0變?yōu)?Vin/2。C4在t5時刻的放電能夠完成，并且伴隨著放電工作的完成，D4能夠開通，Q4能夠在零電壓下開通。同時的iM的負(fù)值也處于最大的狀態(tài)，因?yàn)閕2=ip/2-iM，那么在這種情況下的i2的值是最大的，在這一過程當(dāng)中電路中所有的電量能夠確保將C3電容，C4電容上的電壓會放電到0，這樣就可以實(shí)現(xiàn)對滯后臂的零電壓開關(guān)。

1.6 t5～ t6時間段

當(dāng)Vp的值降低到-Vin/2，這樣負(fù)載電流就會流經(jīng)DR2，并且DR1會關(guān)斷。加入變壓器TR以及耦合電感LC的漏感是0，并且在很短的時間內(nèi)就可以實(shí)現(xiàn)這種轉(zhuǎn)換。但是，在變壓器當(dāng)中由于在初級以及次級的兩側(cè)都可能存在有寄生電感，這樣如果在繞組電壓的符號發(fā)生變化時，負(fù)載電流在短時間內(nèi)很難完成。

2 基于DSP的DC/DC變換器控制策略

隔離輸出、信號產(chǎn)生和功率驅(qū)動構(gòu)成了控制電路的主體部分，在進(jìn)行具體研究的過程中文中所采用的控制器系統(tǒng)采取了雙環(huán)控制的方法，變換器在具體工作的過程當(dāng)中通過直接作用于滯后橋臂以及超前橋臂對電路完成控制，并控制電壓值的輸出，這樣能夠?qū)﹄娐愤M(jìn)行有效的保護(hù)工作，這樣能夠確保變化器可以平穩(wěn)的工作?？刂葡到y(tǒng)當(dāng)中電流雙環(huán)以及系統(tǒng)電壓控制模式，這樣可以對采樣輸出電壓和輸出電流作為反饋值進(jìn)行合理的管控，在整個系統(tǒng)當(dāng)中內(nèi)環(huán)能夠?qū)V波電感電流進(jìn)行控制，外環(huán)對輸出電壓進(jìn)行控制工作。

Ku指的是輸出電壓的采樣系數(shù)，Ki表示電感電流采樣系數(shù)，Kmd表示脈寬調(diào)制器傳遞系數(shù)，Kmd=1/Um，其中Um表示的是三角波峰值，Gu(s)，Gi(s)分別是電壓環(huán)PI調(diào)節(jié)器以及電流環(huán)PI調(diào)節(jié)器的傳遞函數(shù)，Gid(s)是主電路的占比空間對電感電流的開關(guān)傳遞系數(shù)：

3 系統(tǒng)設(shè)計

3.1 系統(tǒng)硬件設(shè)計

在系統(tǒng)硬件進(jìn)行設(shè)計的過程當(dāng)中，系統(tǒng)在主控芯片的選擇上選取的是DSP TMS320LF2407，這一款芯片的指令的周期是25 ns，同時這一款芯片的PWM的分辨率十分高，能夠滿足在負(fù)載條件下進(jìn)行計算的需求，EVA和EVB是這一系統(tǒng)的兩個事件管理器模塊，在具體工作的過程當(dāng)中能夠順利實(shí)現(xiàn)16通道的A/D轉(zhuǎn)換等工作任務(wù)，確保系統(tǒng)工作職能能夠得到充分發(fā)揮。

3.2 系統(tǒng)軟件設(shè)計

從整體上看，系統(tǒng)的軟件設(shè)計具體可以被劃分成為終端服務(wù)程序以及主程序。在整個系統(tǒng)當(dāng)中，系統(tǒng)軟件的主要功能是要確保能夠完成系統(tǒng)初始化。完成檢測并且進(jìn)入主程序循環(huán)等待終端。終端服務(wù)程序的主要功能比較多，例如可以進(jìn)行數(shù)字濾波以及調(diào)節(jié)器的運(yùn)算等方。整個系統(tǒng)在運(yùn)行的過程當(dāng)中受到各種因素影響可能會出現(xiàn)故障，這時系統(tǒng)外部硬件能夠發(fā)出信號對封鎖脈沖放大和整形電路，并且會有信號送DSP，這樣就能夠產(chǎn)生封鎖脈沖輸出。

3.3 基于DSP的直接移相脈沖生成方法

移相具體指的是滯后臂驅(qū)動相對于超前臂驅(qū)動之間的一個周期行的延時，并且延時角也就指的是移相角。假設(shè)PWM1/PWM2能夠驅(qū)動超前臂開關(guān)管，并且PWM3/PW，4驅(qū)動滯后臂開關(guān)管，并且在上下的兩管之間的驅(qū)動能夠互補(bǔ)，這樣能夠確保沒有死區(qū)。在具體實(shí)現(xiàn)的過程中可以固定超前臂的驅(qū)動，其能夠在一個周期的T0時刻出發(fā)，那么只要按照移相角對應(yīng)的事件，就能夠獲取滯后臂的驅(qū)動，這樣就能夠在0°～180°的范圍內(nèi)進(jìn)行自由地移相。采用這種脈沖的方法也只需要實(shí)用到DSP的4個接口，并且還能夠?qū)λ绤^(qū)進(jìn)行科學(xué)設(shè)置，因此其靈活性和可靠性也更好。

[1]武琳，張燕枝，李子欣，等.一種隔離式雙向全橋DC/DC變換器的控制策略[J].電機(jī)與控制學(xué)報，2012（12）：21-27.

[2]孫鐵成，郭超，娜仁圖亞，等.具有移相控制的ZVS全橋DC-DC斬波變換器[J].電工技術(shù)學(xué)報，2014（12）：66-72.

Research on full bridge soft switching DC/DC converter with DSP control

Wang Xin, Zeng Fanzheng, Zhang Li
（Hezhou University, Hezhou 542899, China）

Performance of ZVS converter is very good, moreover, the ZVS switch can work under zero voltage soft switching, the loss becomes very low, and with simpler structure, it is widely used in the DC/DC transform.

DC/DC converter; DSP; zero voltage switch

項目名稱：基于軟開關(guān)的移相全橋升壓變換器的研究與設(shè)計；項目編號：2015ZC07。

王鑫（1987— ），男，云南麗江，助理館員；研究方向：智能控制。