数字控制级联式双向DC-DC变换器的研究

1引言

双向DC-DC变换器具有双向能量流动的能力, 是典型的“一机两用”设备,目前研究的几种BDC 拓扑存在下面的几个缺陷：（1）隔离型Buck/Boost BDC 因含有的隔离型Boost 变换器，存在开关管电压尖峰大的问题，难以抑制；（2）移相式BDC 通过变压器漏感（或少量串联电感）传递能量，存在环流能量大的问题，不适于宽调压范围应用；（3）反激式BDC 采用耦合电感传输能量，限制了传输功率等级；（4）Cuk 型BDC 和Sepic/Zeta型BDC 由于其电路拓扑比较复杂，且能量传输过程环节较多，实际应用较少。

近年来, 随着DSP等数字处理器芯片的快速发展，相对于模拟控制而言，数字控制的优点越来越突出。数字化处理和控制，可避免模拟信号传递的畸变、失真，减少杂散信号的干扰；用软件形式的数值计算实现模拟硬件电路的功能，因此控制电路的硬件结构可以简化，外围器件数目可以减少；数字电源基本不受元件性能变化的影响，电源一致性好，可靠性高.

因此,基于上述内容,本文提出了构建于LF2407型DSP控制的硬件平台之上的由Buck/Boost 电路和双向半桥直流变换器构成的级联式双向DC-DC变换器,它具有的优点是：（a）两部分可分别优化设计；（b）功率密度高；（c）两部分变比的倍乘关系，适用于大变比变换的应用场合； (d)简化系统硬件设计、减少了元件数量、改善了系统可靠性。同时,本文研究了一种适用于Boost变换器的无源软开关电路,利用谐振实现开关管的ZVS。

2双向DC-DC变换器基本结构及工作原理

图 1 级联式双向DC－DC变换器主电路

由图1可以看出，前级采用双向半桥DCT，后级采用不隔离Buck/Boost BDC。在Buck/Boost电路中增加了无源软开关电路. 升压模式下的工作过程分为9个模式. 其中电源为Uin,L1为储能电感,续流二极管D5,滤波电容Cm构成了Boost变换器的主电路.电感L2,二极管D2,D3,D4, 电容C6,C7组成辅助电路.通过谐振电感L2实现S6的零电流开通,谐振电容C7可以实现S6的零电压关断.由于滤波电感L1和输出滤波电容Cm相对于谐振电感和电容大许多,并且软开关电路的工作过程很短,因此假定在辅助电路工作时,流过L1的电流和输出电压Vo保持恒定.

模态1 模态2

模态3 模态4

模态5 模态6

模态7 模态8

模态9

图 2 升压模式下后级工作模态

模态1(t1tt2) t1时刻前,开关管S6处于关断,储存于L1中的能量通过S5的反并二极管D5传送到负载.当S6在t1时刻开通后,流过D5中的电流线形减小,同时电感L2中的电流从零开始增大.

模态2(t2tt3)当流过D5中的电流降到0以后,D3开始导通.L2和C6,C7开始谐振,C7中的能量通过C7-C6-L2-S6回路释放.结果,L2中的电流包含了流经L1中的电流和谐振电流.当谐振过程完成后,储存在C7中的能量转移至C6,C6的电压上升到输出电压Vo.

模态3(t3tt4)当C7的电压降至0以后,二极管D2导通,因此L2和C6通过D2和D3开始谐振.随着L2中的电流的不断减小,C6的电压继续升高.

模态4(t4tt5)当L2中的电流和L1中的电流相同时,开关管导通过程完成,C6和C7的电压保持定值.此时,变换器工作状态和传统的boost电路一样.

模态5(t5tt6) 当开关管S6在t5时刻关断,流经主功率管的电流完全转移到C7和D2上.直至C7中的电压增至输出电压Vo.

模态6(t6tt7) D4在t6时刻导通,电容C6通过D4放电.

模态7(t7tt8)当C7中的电压上升至输出电压Vo时,D3在t7时刻导通.流经L2中的电流通过D3和D4传至负载.从而,L2中的电流继续减小.

模态8(t8tt9)当L2中的电流减小到0以后, L2中将不再有电流通过直到S6再次导通.

模态9(t9tt10) 当C6中的电压在t8时刻降至0以后,另一个开关模态开始.反并二极管D5导通.

图 3 升压模式下关键波形

升压模式工作(能量从Uin侧流向Uo侧)时，电感电流平均值为正.双向半桥直流变换器中S1、S2、S3和S4相同固定占空比，且S1、S3和S2、S4互补导通。通过对S6的可控调节，从而实现升压模式下的稳压输出。

降压模式工作(能量从Uo侧流向Uin侧)时，电感电流平均值为负，与升压模式时类似。S1、S2、S3和S4的驱动信号不变，封锁S6的脉冲信号，受控开关为S5。

3双向DC－DC变换器的数字实现

图4 DC－DC变换器数字控制系统流程

图4为双向变换器数字控制系统的流程图，经过AD转换得到的电压电流数字信号被送至数字信号处理器进行PI调节。DPWM把控制信息转化为PWM脉宽信号，通过对占空比的调节从而得到理想的输出电压和电流。

由于TMS320LF2407内部带有ADC模块，因此，输出电压值通过电压LEM采样反馈给DSP的ADC模块，在AD中断程序里读取采样值，然后进行数字PI调节，使输出稳压。

为了实现Boost和Buck模式的自由切换，必须对副边电压进行采样。当电压高