基于DSP控制的燃料电池客车用DC/DC变换器研究

引言

　　能源短缺及环境污染的问题成为当今世界迫切需要解决的综合问题，而传统的汽车工业便是能源与环境最大杀手之一，发展清洁、高效的汽车新动力能源已成为十分紧迫的任务。燃料电池（Fuel Cel1）就是这样一种绿色能源技术。为了改善燃料电池较"软"的输出特性，通过DC/DC 变换器将燃料电池的电压变换后给主驱动电机及其控制系统，满足它们输入特性的要求，这样就使得燃料电池输出特性变"硬"，并且匹配了变换器的输出阻抗，所以具有良好控制特性，并且实现数字化控制、通讯和保护的可靠稳定的DC/DC 变换器的研制就成为迫切的需求。

近年来DSP技术的日臻完善，标志着数字化技术的兴起，使得控制领域又面临着一次重大的技术变革。因此，针对燃料电池客车专用大功率DC/DC变换器数字化技术进行研究，开发出国产的专用数字化大功率DC/DC 变换器，对我国的电动汽车的发展和普及，将具有十分重要的理论意义和工程应用价值[1][2]。

　　1 DC/DC变换器主电路构成

　　变换器主电路是基础，直接影响到DC/DC 变换器的性能。DC/DC 变换器主电路结构简单；工作效率高，显著提高整车的经济性；且自身工作频率高，具有高响应速度，易于实现复杂多变的输入输出特性，可以满足不同控制策略的要求。所以，燃料电池客车用功率混合转换装置放弃了全桥式逆变的主电路拓扑结构而选用Boost 和Buck型主电路拓扑。

　　DC/DC 变换器按功能可分为：升压变换器（Boost Converter）、降压变换器（Buck Converter）和升降压变换器（Boost-Buck Converter），在燃料电池汽车中主要采用升压或降压变换器，其原理图如图1 和图2所示。
　　
图1 Buck 电路原理图

　　
图2 Boost电路原理图

　　以图2 Boost 变换器为例，简单分析其工作原理：当开关管S 导通时，电流I in 流过电感L，电流线性增加，电能以磁能形式储存在电感线圈中。此时，电容C 放电，负载上流过电流Io并在其两端形成输出电压Vo，极性上正下负。因为开关管S 导通，二极管D 阳极接负极，D 承受反压，所以电容不能通过开关管放电。开关管S 由导通变为截止时，电感L 中的磁场将改变线圈L 两端的电压极性，以保持Iin 的不变。这样磁能转化成的电压VL与电源电压VFC串联，以高于Vo的电压向电容C、负载供电。高于Vo 时，电容C 有充电电流；等于Vo时，充电电流为零；当Vo有降低趋势时，电容向负载放电，维持Vo 不变。由于VL垣VFC向负载供电时，Vo高于VFC，从而有了升压的结果[3]。

　　2 基于TMS320LF2407A 的控制电路硬件设计

　　采用数字信号处理器作为开关电源的控制器不仅可以克服分立元件过多、电路可靠性差、电路复杂等缺点，还可以解决单片集成控制器不灵活的弱点；而且DSP数字处理器具有工作频率高、指令周期短和改进的总线结构等优点，具有强大的数字处理功能。

　　TMS320LF2407A是德州仪器（TI）公司24X系列DSP 控制器的成员，它在电机的数字化方面已经得到了广泛的应用，通过编程和外部电路的配合，完全能够实现燃料电池用大功率DC/DC 变换器的数字化。图3为控制系统的功能框图，控制系统以TMS320LF2407A为核心，通过外部附加电路来实现系统所需要的各项控制功能：

　　（1）通过滤波电路对传感器输入信号进行处理，然后由ADC采样电路进行数字采样并送入中央处理器；

　　（2）由TMS320LF2407A 直接生成PWM 控制信号，经过隔离驱动放大后来控制功率开关管的开通与关断；

　　（3）利用处理器内部的I/O 口来实现一些外围的附加控制功能，比如：指示灯显示、电路的缓吸、接触器的控制、散热风扇的开关控制等；

　　（4）通过CAN2.0控制器与整车控制器进行远程通讯与控制。

　　
图3 控制系统功能框图

　　燃料电池客车数据采样电路的目的是获取系统的输出电压、电流控制反馈信号；功率器件的温度、电流、电压保护反馈信号。信号传输给控制板通过TMS320LF2407A内部集成的10 位精度的带内置采样/保持的模数转换模块（ADC）后进行数据运算和逻辑判断。该10 位ADC 是高速ADC,最小转换时间可达到500ns，对于20~50kHz 的开关电源来讲，完全可以做到周期采样的控制要求，从而保证了DC/DC变换器的高速响应时间[4]。

　　在DC/DC 运行过程中，可能会发生一些异常状态，例如由于器件损坏等原因，造成DC/DC 不工作；电路出现短路；IGBT 和功率二极管过流；散热器过热等。对于以上异常状态，都从硬件电路上给予充分设计并采取相应的保护措施。

　　3 控制系统软件设计

控制系统负责整个变换过程的控制和通讯，实现过程的数字化。燃料电池客车用大功率DC/DC 变换器的控制软件采用C 语言和汇编语言混合编制，在完成其控制功能的