基于DSP控制的數字式雙向DC/DC變換器的實現??

摘要：總結了電力電子領域數字控制的發展歷程，并對其現狀和前景作了分析。基于對全橋隔離型的雙向DC/DC變換器工作原理的分析，從簡化硬件電路的角度出發，設計了數字控制的雙向DC/DC變換器。試驗控制功能全部由軟件實現，電壓可調性和穩壓輸出都得到滿足。同時也由軟件實現電路的雙向運行，對蓄電池可以進行恒流充電。

關鍵詞：雙向DC/DC變換器；數字信號處理器；數字脈寬調制（DPWM）

0??? 引言

??? 數字化技術隨著信息技術的發展而飛速發展，同時，也對電力電子技術的發展起到了巨大的推動作用。隨著電力電子技術和數字控制技術的發展，越來越多的數字控制開關變換器投入使用。但是，在高頻PWM變換器中還存在一些需要解決的問題。

??? 隨著數字信號處理技術的日益完善和成熟，它顯示出了越來越多的優點，諸如便于計算機的處理和控制；避免模擬信號的傳遞畸變和失真；減少雜散信號的干擾；便于自診斷，容錯等技術的植入等。在計算機進入電力電子技術領域的初期，只是完成諸如監控、顯示等輔助功能，實現系統級的控制。但是，隨著數字化技術的發展，計算機已經被應用于控制電路。專用于PWM變換器的數字控制器由于其功耗低，對模擬電路部分參數變化不敏感，可以方便地和數字系統相連接，并且可以方便地實現完善成熟的控制方案，而越來越受歡迎。此方面的應用包括電壓調節模塊（VRM）的微處理器，音頻放大器，便攜式電子裝備等等。

??? 數字控制的電力電子裝置以數字控制器代替模擬硬件電路進行PWM控制，通過開關的快速切換實現電量的變換。以占空比量化為基礎的數字功率變換器的數字控制，相對于傳統的模擬控制有很多優點。數字濾波器是用來進行動態調節的，若設定其采樣頻率等于功率變換器的采樣頻率，量化占空比數字控制器可以工作在任何開關頻率，而不須再補償。通過對權系數的修改，可以方便地改變動態調節特性。同時，基本的數字控制器可以很容易地實現諸如輸出電流限幅和軟啟動等特殊功能。

??? 本文基于對數字控制發展歷程的總結，歸納了數字控制的優點。通過對全橋隔離型的雙向DC/DC變換器工作原理的分析，從簡化硬件電路的角度出發，將控制功能全部集中起來由軟件實現，試驗中電壓可調性和穩壓輸出都得到滿足。同時，也由軟件實現電路的雙向運行，對蓄電池可以進行恒流充電。試驗所采用的數字控制器是TMS320LF2407，整個控制系統為所開發的通用電力電子裝置的數字控制平臺。

1??? 數字控制雙向DC/DC變換器基本結構及其工作原理

??? 隨著科技和生產的發展，對雙向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、航天電源系統、電動汽車、直流功率放大器及蓄電池儲能等應用場合。

??? 數字脈寬調制（DPWM）雙向DC/DC變換器的基本結構如圖1所示。本文采用全橋隔離型雙向DC/DC變換器作為實驗裝置的主電路結構。

圖1??? DPWM雙向DC/DC變換器方框圖

??? 控制器由模數轉換器（ADC），DPWM控制模塊和離散調節控制模塊組成。其中ADC模塊把可調量（典型的是采樣輸出電壓V_out）離散量化，DPWM把控制信息轉化為PWM脈寬信號，離散控制中心執行對反饋量的計算調制。

??? 下面對雙向DC/DC主電路的工作原理進行簡單分析，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??? 原邊對副邊放電

??? 滿調制時S₁～S₄驅動波形如圖3所示，圖中的波形沒有考慮死區，即認為開關管為理想器件。圖3（a）中PWM₁和PWM₄同相，沒有移相，此時副邊輸出電壓最高，如果不計損耗，那么副邊的輸出電壓為nV_in，這是滿調制時的輸出，此時副邊通過主開關反并二極管來整流，即為不控整流。原邊的開關作用相當于把輸入信號調制為交流的方波信號，副邊二極管則把該信號解調為直流電壓輸出，此時不存在脈寬的空缺，同時封鎖副邊脈沖。變壓器原邊輸入信號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為開關周期)，v_ab正半波和負半波經歷時間均為T/2(即π），v_ab經過副邊整流之后可得到最大的輸出電壓。

（a）原邊門極控制脈沖波形

（b）v_ab波形

（c）移相控制門極脈沖波形

（d）v_ab波形

圖3??? 原邊對副邊放電S₁～S₄驅動信號與v_ab

??? 移相控制時門極脈沖如圖3(c)所示，S₄門極脈沖比S₁門極脈沖滯后一個角度θ，v_ab如圖3（d）所示。因此，可以通過控制滯后角度θ的大小來控制輸出電壓。在數字控制器中可以用軟件設定滯后角度θ來控制輸出電壓，即可以通過移相控制使輸出電壓可調。

1.2??? 副邊對原邊充電

??? 此時，如圖3所示，只要把S₅～S₈的驅動信號與S₁～S₄的驅動信號互換，v_ab則由v_cd替換即可，同樣存在滿調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，也可以通過移相控制來滿足此要求。原副邊的工作過程剛好與放電時相反。此處不再贅述。

2??? 雙向DC/DC數字化控制的軟件實現

??? 雙向DC/DC變換器，可以實現能量的雙向傳輸。通常正向放電要求輸出電壓可調，而反向充電過程通常要求充電電流恒定不變。通過對S3和S2的移相控制可以實現副邊輸出電壓的可調要求，同樣，副邊對原邊進行充電時，可以通過移相控制使得充電電流恒定。

??? 主程序流程圖和ADC的中斷服務程序流程圖分別如圖4和圖5所示，在軟件進行移相控制實現輸出電壓可調的同時，軟件實現電壓環的調節，使輸出穩壓。由于TMS320LF2407內部帶有ADC模塊，因此，輸出電壓值通過電壓LEM采樣反饋給DSP的ADC模塊，在AD中斷程序里讀取采樣值，然后進行數字濾波和數字PI調節，使輸出穩壓。

圖4??? 主程序流程圖

圖5??? ADC中斷服務程序流程圖

??? 一般充電要求是恒流充電，所以，充電時反饋用電流環,對原邊的充電電流進行PI調節，實現恒流充電。本實驗中原邊供電電源為蓄電池，由于其電壓為12V，真正要實現電流反向，使原邊的二極管導通，考慮到變壓器原副邊的變比為1：2，副邊電壓必須超過24V時才能實現電流反向，故必須得對副邊電壓采樣。對副邊電壓的采樣，不僅實現了PI調節，同時也用來控制雙向工作方式的切換。在雙向DC/DC的負載端電壓上升到一定程度時可以使能量倒流，對原邊進行充電，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現輸出電壓可調及穩壓和充電電流恒定的關鍵，在DSP的中斷服務程序中對采樣值進行數字濾波和PI調節。程序根據給定輸出電壓參考值和充電電流參考值進行PI調節，當原邊輸入電壓變動時，副邊輸出電壓穩定在給定值；而當副邊負載電壓有波動時也可以根據給定電流參考來調節相移大小，控制原邊充電電流值。數字式PI調節采用的是增量式PI控制，其系統框圖如圖6所示。由于DSP具有強大的計算能力以及EV(Event Manager)模塊，則PWM信號可以方便地得到，因此，硬件部分可以大大簡化，控制電路部分可以全部省略而由軟件來代替，即軟件實現PI計算控制以及PWM信號的產生。但是，考慮到DSP的安全性問題，必須有光耦隔離。

圖6??? 增量式PI控制系統框圖

3??? 實驗結果

??? 根據上述主電路工作原理分析,為證實數字化控制方法的有效性，制作了一臺實驗樣機，開關頻率為50kHz。對于圖2所示的主電路結構，所選用元器件參數如下：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前級用TLP250驅動，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，副邊對應電流25mA，此輸入和輸出對應精度為±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時的實驗波形，當輸入電壓分別為10V，40V，50V時，S₂和S₄的驅動波形分別如圖7（b），（c）， (d)所示，可見當輸出電壓給定時，而輸入電壓可變，可以通過前文所提到的增量式數字PI控制實現移相控制，使輸出穩壓得以實現。圖8為副邊輸出20V時的輸出電壓波形和各主開關的驅動波形。

(a)??? 10V輸出波形??? (b)??? 10V輸入時的驅動波形

(c)??? 40V輸入時的驅動波形??? (d)??? 50V輸入時的驅動波形

圖7??? 副邊10V輸出原邊驅動信號移相比較

(a)??? 20V輸出波形??? (b)??? 15V輸入時的驅動波形

(c)??? 40V輸入時的驅動波形??? (d)??? 50V輸入時的驅動波形

圖8??? 副邊20V輸出原邊驅動信號移相比較

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

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

(c)??? 負載38V時??? (d)??? 負載60V時副邊驅動波形副邊驅動波形

圖9??? 放電和充電工作模式切換實驗波形

??? 圖9（c）及圖9（d）為副邊對原邊進行充電時負載側電壓可變時的副邊主開關的驅動信號。從實驗波形可以看出當負載側電壓可變時，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。從實驗波形得到證實，該數字PI控制實現了上述電壓輸出穩定及可調和恒流充電的要求，同時PI的參數可以在程序里面方便修改，因此，實驗調試比較方便。

4??? 結語

??? 通過對雙向DC/DC工作原理的分析，從數字控制的角度出發設計了DSP控制的雙向DC/DC變換器，并實驗驗證了文中所提到的控制方案的有效性和可行性。該方案簡化了硬件電路，試驗控制功能全部由軟件完成，實現了移相的功能，電壓可調性和穩壓輸出都得到滿足。同時，也由軟件完成電路的雙向運行，對蓄電池可以進行恒流充電。