全数字DC-DC变换器研究

引 言

移相全桥ZVS DC-DC变换器是目前应用最广泛的软开关电路之一。作为一种具有优良性能的移相全桥变换器，其两个桥臂的开关管均在零电压软开关条件下运行，开关损耗小，结构简单，顺应了直流电源小型化、高频化的发展趋势，因此在中大功率DC-DC变换场合得到了广泛应用，而系统数字化控制可进一步提高系统的可靠性。数字化系统具备完整的可编程能力，它使程序修改、算法升级、功能移植都非常容易，相对于模拟控制方式具有明显的优势。DC-DC变换器的数字化控制是当前的研究热点之一。本文分析了主电路原理，采用TMS320LF2407作为主控芯片实现了ZVS DC-DC变换器的全数字控制，并给出了实验结果。

1 主电路拓扑及工作原理

ZVS PWM DC-DC全桥变换器的主电路结构如图1所示，其主要波形如图2所示。由图1可见，电路结构与普通双极性PWM变换器类似。Q1、D1和Q4、D4组成超前桥臂、Q2、D2和Q3、D3组成滞后桥臂；C1～C4分别是Q1～Q4的谐振电容，包括寄生电容和外接电容；Lr是谐振电感，包括变压器的漏感；T副方和DR1、DR2组成全波整流电路，Lf、Cf组成输出滤波器，R1是负载。Q1和Q3分别超前Q4和Q2一定相位(即移相角)，通过调节移相角的大小来调节输出电压。由图2可见，在一个开关周期中，移相全桥ZVS PWM DC-DC变换器有12种开关模态，通过控制4个开关管Q1～Q4在A、B两点得到一个幅值为Vin的交流方波电压；经过高频变压器的隔离变压后，在变压器副方得到一个幅值为Vin／K的交流方波电压，然后通过由DR1和DR2构成的输出整流桥，得到幅值为Vin／K的直流方波电压。这个直流方波电压经过 Lf和Cf组成的输出滤波器后成为一个平直的直流电压，其电压值为Uo=DVin／K(D是占空比)。Ton是导通时间Ts是开关周期(T=t12- t0)。通过调节占空比D来调节输出电压Uo。


由波形图可见，移相全桥电路控制方式的特点是：
①在一个开关周期Ts内，每个开关导通时间都略小于Ts／2，而关断时间略大于Ts／2。
②同一个半桥中，上、下两个开关不能同时处于开通状态，每个开关关断到另一个开关开通都要经过一定的死区时间。
③比较互为对角的两对开关管Q1、Q4和Q2、Q3的开关函数波形，Q1的波形比Q4的波形超前O～Ton／2时间，Q2的波形比Q3的波形超前0～Ton／2时间，因此Q1和Q2为超前桥臂，Q3和Q4为滞后桥臂。

2 控制芯片TMS320LF2407A

TMS320LF2407A是TI公司设计的一种数字信号处理器，具有接口方便、编程简单、稳定性好、精度高、方便以及可重复性等优点。TMS320LF2407A部分功能如下：

①工作电压3．3 V，有4种低功耗工作方式。电路设计时需考虑电平转换，不要超过DSP的工作电压。
②单指令周期最短为25 ns(40 MHz)，最高运算速度可达40MIPS，四级指令执行流水线。低功耗，有利于电池供电的场合；而高速度非常适用于电动机的实时控制。
③拥有2个专用于电动机控制的事件管理器(EV)，每一个都包含：2个16位通用定时器，8个16位脉宽调制(PWM)输出通道，1个能够快速封锁输出的外部引脚／PDPINTx(其状态可从COMCONx寄存器获得)，可防止上下桥臂直通的可编程死区功能，3个捕捉单元，1个增量式光电位置编码器接口。
④16通道10位A／D转换器，具有可编程自动排序功能，4个启动A／D转换的触发源，最快A／D转换时间为375 ns。
⑤控制器局域网(CAN)2．0B模块。
⑥串行接口SPI和SCI模块。
⑦基于锁相环的时钟发生器(PLL)。
⑧41个通用I／O引脚。
⑨32位累加器和32位中央算术逻辑单元(CALU)；16位×16位并行乘法器，可实现单指令周期的乘法运算；5个外部中断。
⑩1149．1-1990 IEEE标准的JTAG仿真接口。
⑾很宽的工作温度范围，普通级为-40～85℃，特殊级为-40～125℃。
3 系统的数字实现

图3为变换器硬件结构框图。由图可见，系统采用闭环控制方式，将变换器两侧的电压、电流经霍尔检测电路检测并转换成相应的电压信号进行滤波，所得的反馈信号一方面送入DSP片内进行A／D转换后进行闭环控制运算，同时送到故障保护电路。本系统电压环采用PI调节器。数字PI调节器根据给定值和反馈信号值进行偏差调节，其输出结果决定了超前、滞后臂之间PWM驱动波形移相角的大小，从而使控制量跟踪给定量；DSP发出的驱动信号经电平转换电路进行电平转换后，送到驱动芯片M57962L形成最终的IGBT驱动信号。故障保护电路则对电流、电压反馈信号进行判断、处理，在故障发生时给出故障信号并从软件上置 PWM为无效方式，硬件上立即封锁IGBT驱动，对系统进行保护。数码管显示电路由带SPI接口的MAX7219和多位数码管组成。MAX7219适合标准的SPI通信方式，同时还具有译码、驱动及数据锁存功能。每片MAX7219能以扫描方式对4位数码管进行智能化管理，大大降低了微处理器用于实时显示的时间。