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第4期2012年7月电源学报JournalofPowerSupplyNo.4July.2012吴红雪袁杨威袁杨世彦渊哈尔滨工业大学电气工程及自动化学院袁黑龙江哈尔滨150001冤摘要院采用数字控制是未来电源的发展趋势遥利用TI公司数字电源控制芯片TMS320F28027袁设计了采用峰值电流控制的移相全桥零电压DC/DC变换器遥采用原边加入钳位二极管和谐振电感的移相全桥主电路袁简述了其抑制输出整流管电压尖峰的工作原理遥在Matlab/Simulink环境下对建立的峰值电流模式控制系统模型进行了仿真袁并设计了一台1.2kW的样机遥仿真和实验结果表明袁电源设计方案可行遥关键词院数字控制曰移相全桥曰峰值电流模式曰钳位二极管中图分类号院TN86文献标志码院A文章编号院2095-2805渊2012冤04-0024-05收稿日期院2012-04-20作者简介院吴红雪渊1987-冤袁女袁辽宁大连人袁硕士研究生袁研究方向为电力电子变换技术遥移相全桥软开关PWM变换器是直流电源实现高频化的理想拓扑之一袁尤其在中大功率场合应用十分广泛[1]遥实现全桥变换器移相PWM控制的传统方法是通过采用专用集成控制芯片渊UC3875尧UCC3895等冤来调节变换器前后臂间的导通相位差袁以实现PWM模拟控制[2]遥相对于模拟控制袁数字控制由于具有集成度高尧控制灵活尧设计延续性好尧易于实现通讯等优点而在电力电子领域得到应用遥近年来袁随着数字信号处理技术日趋成熟袁各种微控制器性价比的不断提高袁采用数字控制已成为中大功率开关电源的发展趋势[3]遥本文采用一种在变压器原边增加一个谐振电感和两个钳位二极管的全桥变换器作为主电路袁利用TI公司最新一款专注于电源数字控制的DSP微控制器对其进行峰值电流模式数字移相控制袁完成了一台1.2kW渊120V/10A冤的样机遥本文采用的移相控制全桥零电压软开关变换器的原理图如图1所示遥它以传统的FB-ZVS-PWMDC/DC变换器为基础袁在变压器的原边加入了两个钳位二极管D7尧D8和一个谐振电感Lr遥图1全桥变换器拓扑结构图2全桥变换器的主要波形全桥变换器的主要波形如图2所示遥其中iLr为谐振电感电流袁iP为变压器原边电流遥加入的钳位二极管和谐振电感能够有效地抑制输出整流管的电压尖峰和振荡袁省去了有损吸收电路袁有助于降低损耗尧提高效率[4,5]遥它比普通的移相全桥变换器增加了[t7-t8]和[t16-t17]这两个钳位二极管的导通时段袁其他时段二者工作原理相同袁本文只分析这两个时段的工作原理遥t6时刻袁D5关断袁D6导通遥Lr与电容CD5产生谐振袁给电容CD5充电袁ip和iLr继续反向增大遥在[t6-t7]时间段内袁B点电位恒等于Vin袁而CD5被充电导致变压器原边电压VBC增大袁故C点电位下降遥至t7时刻袁C点电位降到零袁D8导通钳位袁使得VBC恒等于Vin袁并使CD5两端电压恒等于2VinN遥t7时刻袁D8导通钳位并提供电流通道袁使ip阶跃减小到副边滤波电感中的电流折算到原边的等效电流值袁随后开始反向增加袁在此期间iLr一直保持不变遥iLr与ip的差值电流流经D8袁D8中电流呈锯齿波状遥随着ip的增大袁至t8时刻袁ip与iLr相等袁D8被迫关断袁此开关模态结束遥在[t15-t16]时间段内袁B点电位恒等于0袁而CD6被充电导致变压器原边电压VCB增大袁故C点电位上升遥至t16时刻袁C点电位升到Vin袁D7导通钳位袁使得VCB恒等于Vin袁并使CD6两端电压恒等于2VinN袁iLr与ip的差值电流流经D7遥至t17时刻袁ip与iLr相等袁D7被迫关断袁此开关模态结束遥从以上分析可知每个钳位二极管在一个周期内只导通一次遥在分析FB-ZVS-PWM变换器小信号模型基础上袁对整个控制系统进行分析设计遥系统闭环传递函数框图如图3所示遥采用峰值电流模式控制袁电流内环应用斜坡补偿技术袁电压外环采用PI调节器遥定义Fi(s)为电流环反馈函数袁F'v(s)为电压环反馈函数袁Gc(s)为电压环补偿网络传递函数袁Kvof为输出电压的反馈系数遥由峰值电流斜坡补偿原理可以得到如下关系式[6]院Fi(s)=Rsfrm+m1渊1冤渊2冤式中院Rs为等效采样电阻曰m为电流斜坡补偿斜率曰m1为图2中[t7-t9]时间段内电流斜率渊斜率均指大小袁无符号冤遥图3峰值电流模式控制系统传递函数框图由图3可知峰值电流控制型系统开环传递函数为院渊3冤由FB-ZVS-PWM变换器小信号模型可以得出占空比对输出电压的传递函数院渊4冤占空比对被采样电流的传递函数院渊5冤式中袁Rz=2Lrfr/N2袁fr=2fs遥本文取N=2.6袁Vin=400V袁Vc=120V袁Lf=126滋H袁Lr=15.4滋H袁Cf=660滋F袁Ro=12赘袁fs=50kHz袁Kvof=0.017袁Rs=0.2赘袁m1=(Vin-NVo)/(N2Lf+Lr)袁m2抑1.0/Lr袁渊1.0V为二极管和MOSFET导通压降之和冤这里取m抑0.7m2袁则整个系统开环传递函数为渊未加校正环节Gc(s)冤院渊6冤利用MATLAB中的SISOTOOL模块确定了系统的PI参数为Kp=1289袁K1=3906袁校正后系统的相角裕度约为80毅袁能满足系统稳定性的要求遥校正后系统幅频尧相频特性如图4所示遥在Matlab/Simulink环境下建立了系统的闭环控制模型遥变换器的关键信号仿真波形如图5所示袁仿真波形与图2所示的理论波形一致遥第4期吴红雪袁等院基于TMS320F28027的数字控制移相全桥DC/DC变换器设计25电源学报电源学报总第42期TMS320F2802x/3xPiccolo系列DSP微控制器是TI公司的最新一款基于TMS320C28xTM内核的定点处理器遥它通过对DSP和MCU功能的整合袁弥补了传统意义上二者的不足袁实现了计算与控制的完美结合遥新型TMS320F2802x/3xPiccolo系列DSP微控制器包含高达128KB的快闪存储器尧内部硬件模拟比较器尧12位ADC尧ePWM袁以及包括通信协议尧片上振荡器尧通用I/O等各种标准外设遥其寄存器资源十分丰富袁配置特别灵活袁可以通过实时更改寄存器配置袁由内部硬件产生所需的逻辑信号袁大大降低了程序的编写难度遥本文采用该系列中的TMS320F28027作为主控芯片的FB-ZVS-PWM变换器控制部分框图如图6所示遥图6控制部分框图将输出电压经AD转换后送到电压调节器袁然后进行斜坡补偿计算产生峰值电流基准信号遥将此基准信号写入DAC值渊DACVAL冤寄存器转换成模拟量袁该模拟量与变压器原边电流ip通过DSP的内部硬件模拟比较单元渊AC冤进行比较袁产生COMP1OUT模拟比较事件袁然后通过ePWM模块的相关寄存器配置袁产生PWM信号遥图7峰值电流模式PWM移相脉冲产生原理图移相脉冲产生的原理如图7所示遥其中袁t为死区时间袁囟为移相角遥TMS320F28027的每个ePWM模块由ePWMxA和ePWMxB两路PWM输出组成完整的PWM通道遥本文采用ePWM1A尧ePWM1B和ePWM2A尧ePWM2B来分别提供超前臂与滞后臂4图4校正后系统幅频尧相频特性图5关键信号仿真波形26路驱动信号袁而斜坡补偿信号则通过配置ePWM3的时基计数器来产生遥本文将ePWM1的时基计数器设置成先递增后递减模式袁通过对死区模块的死区时间以及极性配置来产生定周期尧定脉宽尧互补的两路信号遥在eP鄄WM1的时基计数器每个周期的A尧B时刻各产生一次中断袁通过检测此时时基计数器方向状态来对ePWM2模块进行相应的A尧B模式配置遥中断处理流程图如图8所示遥图8中断处理流程图图9配置成A模式时事件流当ePWM1的时基计数器工作在连续递增状态时(时基计数器方向状态位CTRDIR=1)袁对ePWM2模块做A模式配置遥配置成A模式时事件流图如图9所示遥模拟比较事件COMP1OUT发生时袁将eP鄄WM2A强制拉低袁ePWM2模块时基计数器清零曰经过死区时间t后袁ePWM2B变成高电平遥当ePWM1的时基计数器工作在连续递减状态时做相应的B模式配置袁如此交替便实现峰值电流模式移相控制遥为了验证上述理论和仿真分析袁试制了一台1.2kW样机遥全桥的开关管采用IXFH21N60袁副边整流管采用DSEP60-06袁钳位二极管采用MUR860遥FB-ZVS-PWM变换器的关键信号实测波形如图10所示遥图10FB-ZVS-PWM变换器的实测波形超前臂与滞后臂开关管的驱动波形VGS以及漏源电压波形VDS如图11所示遥可以看出袁超前臂和滞后臂开关管袁在驱动信号出现之前袁漏源电压已经降到零袁均能较容易实现零电压软开关遥渊a冤超前臂波形渊b冤滞后臂波形图11超前臂与滞后臂VGS和VDS波形第4期吴红雪袁等院基于TMS320F28027的数字控制移相全桥DC/DC变换器设计27电源学报电源学报总第42期为了验证变换器的动态性能袁进行了输出电压为额定值120V袁输出电流在半载5A与满载10A之间突变的实验遥加减负载时电压变化驻Vo袁输出电流io波形如图12所示遥从图中可以看出突加负载与突减负载时电压变化值均小于1V袁同时袁调节时间小于2ms遥渊a冤突加负载渊b冤突减负载图12突加减负载时驻Vo袁io波形本文设计了采用峰值电流控制的移相全桥零电压DC/DC变换器遥实验表明袁采用TI公司数字电源控制芯片TMS320F28027实现了该变换器的数字移相控制袁并且在加入谐振电感和两个钳位二极管后袁输出整流管上的电压尖峰和电压振荡得到了很好的抑制袁电源设计方案可行遥参考文献:[1]潘敏.48kW高频开关电源的研制[J].电气传动自动化,2010,32(1):17-19.[2]张哲,沈虹,王晓寰.基于UCC3895的移相全桥变换器的设计[J].电源技术应用,2006,9(3):17-20.[3]唐建军.基于DSP的数字控制移相全桥变换器[D].广州院华南理工大学,2003.[4]RedlR,SokalNO,BaloghL.ANovelsoft-switchingFull-bridgeDC/DCConverter:Analysis,DesignConsiderations,at1.5kw,100kHz[C].IEEETransonPowerElectronics,1991,6(3):408-418.[5]RedlR,BaloghL,EdwardsDW.OptimalZVSFull-bridgeDC/DCConverterwithPWMPhase-shiftControl:Analysis,DesignConsiderations,andExperimentalResults[C].In:ProceedingsofNinthAnnualIEEEAppliedPowerElec鄄tronicsConferenceandExposition.IEEE,1994,(1):159-165.[6]李红平,詹晓东.采用峰值电流模式的全桥移相控制DC/DC变换器[J].电力电子技术,2000,2(1):27-30.DesignofPhase-shiftedFull-bridgeDC/DCConverterBasedonDigitalControlwithTMS320F28027WUHong-xue,YANGWei,YANGShi-yan(SchoolofElectricalEngineeringandAutomation,HarbinInstituteofTechnology,HarbinHeilongjiang150001,China)Abstract院Thedigitalcontrolisthedevelopmenttrendoffuturepowersupply.AZVSphase-shiftedfull-bridgePWMcontrolledDC/DCconverterinpeakcurrentcontrolmodewasdesignedusingTI爷sdigitalpowercontrolchipTMS320F28027.Themaincir