基于DSP控制的數(shù)字式雙向DC/DC變換器的實(shí)現(xiàn)

摘要：總結(jié)了電力電子領(lǐng)域數(shù)字控制的發(fā)展歷程，并對(duì)其現(xiàn)狀和前景作了分析?；趯?duì)全橋隔離型的雙向DC/DC變換器工作原理的分析，從簡(jiǎn)化硬件電路的角度出發(fā)，設(shè)計(jì)了數(shù)字控制的雙向DC/DC變換器。試驗(yàn)控制功能全部由軟件實(shí)現(xiàn)，電壓可調(diào)性和穩(wěn)壓輸出都得到滿足。同時(shí)也由軟件實(shí)現(xiàn)電路的雙向運(yùn)行，對(duì)蓄電池可以進(jìn)行恒流充電。

關(guān)鍵詞：雙向DC/DC變換器；數(shù)字信號(hào)處理器；數(shù)字脈寬調(diào)制（DPWM）

0 引言

數(shù)字化技術(shù)隨著信息技術(shù)的發(fā)展而飛速發(fā)展，同時(shí)，也對(duì)電力電子技術(shù)的發(fā)展起到了巨大的推動(dòng)作用。隨著電力電子技術(shù)和數(shù)字控制技術(shù)的發(fā)展，越來越多的數(shù)字控制開關(guān)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(shù)字信號(hào)處理技術(shù)的日益完善和成熟，它顯示出了越來越多的優(yōu)點(diǎn)，諸如便于計(jì)算機(jī)的處理和控制；避免模擬信號(hào)的傳遞畸變和失真；減少雜散信號(hào)的干擾；便于自診斷，容錯(cuò)等技術(shù)的植入等。在計(jì)算機(jī)進(jìn)入電力電子技術(shù)領(lǐng)域的初期，只是完成諸如監(jiān)控、顯示等輔助功能，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)級(jí)的控制。但是，隨著數(shù)字化技術(shù)的發(fā)展，計(jì)算機(jī)已經(jīng)被應(yīng)用于控制電路。專用于PWM變換器的數(shù)字控制器由于其功耗低，對(duì)模擬電路部分參數(shù)變化不敏感，可以方便地和數(shù)字系統(tǒng)相連接，并且可以方便地實(shí)現(xiàn)完善成熟的控制方案，而越來越受歡迎。此方面的應(yīng)用包括電壓調(diào)節(jié)模塊（VRM）的微處理器，音頻放大器，便攜式電子裝備等等。

數(shù)字控制的電力電子裝置以數(shù)字控制器代替模擬硬件電路進(jìn)行PWM控制，通過開關(guān)的快速切換實(shí)現(xiàn)電量的變換。以占空比量化為基礎(chǔ)的數(shù)字功率變換器的數(shù)字控制，相對(duì)于傳統(tǒng)的模擬控制有很多優(yōu)點(diǎn)。數(shù)字濾波器是用來進(jìn)行動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)的，若設(shè)定其采樣頻率等于功率變換器的采樣頻率，量化占空比數(shù)字控制器可以工作在任何開關(guān)頻率，而不須再補(bǔ)償。通過對(duì)權(quán)系數(shù)的修改，可以方便地改變動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)特性。同時(shí)，基本的數(shù)字控制器可以很容易地實(shí)現(xiàn)諸如輸出電流限幅和軟啟動(dòng)等特殊功能。

本文基于對(duì)數(shù)字控制發(fā)展歷程的總結(jié)，歸納了數(shù)字控制的優(yōu)點(diǎn)。通過對(duì)全橋隔離型的雙向DC/DC變換器工作原理的分析，從簡(jiǎn)化硬件電路的角度出發(fā)，將控制功能全部集中起來由軟件實(shí)現(xiàn)，試驗(yàn)中電壓可調(diào)性和穩(wěn)壓輸出都得到滿足。同時(shí)，也由軟件實(shí)現(xiàn)電路的雙向運(yùn)行，對(duì)蓄電池可以進(jìn)行恒流充電。試驗(yàn)所采用的數(shù)字控制器是TMS320LF2407，整個(gè)控制系統(tǒng)為所開發(fā)的通用電力電子裝置的數(shù)字控制平臺(tái)。

1 數(shù)字控制雙向DC/DC變換器基本結(jié)構(gòu)及其工作原理

隨著科技和生產(chǎn)的發(fā)展，對(duì)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(tǒng)、航天電源系統(tǒng)、電動(dòng)汽車、直流功率放大器及蓄電池儲(chǔ)能等應(yīng)用場(chǎng)合。

數(shù)字脈寬調(diào)制（DPWM）雙向DC/DC變換器的基本結(jié)構(gòu)如圖1所示。本文采用全橋隔離型雙向DC/DC變換器作為實(shí)驗(yàn)裝置的主電路結(jié)構(gòu)。

圖1 DPWM雙向DC/DC變換器方框圖

控制器由模數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADC），DPWM控制模塊和離散調(diào)節(jié)控制模塊組成。其中ADC模塊把可調(diào)量（典型的是采樣輸出電壓V_out）離散量化，DPWM把控制信息轉(zhuǎn)化為PWM脈寬信號(hào)，離散控制中心執(zhí)行對(duì)反饋量的計(jì)算調(diào)制。

下面對(duì)雙向DC/DC主電路的工作原理進(jìn)行簡(jiǎn)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(duì)副邊放電

滿調(diào)制時(shí)S₁～S₄驅(qū)動(dòng)波形如圖3所示，圖中的波形沒有考慮死區(qū)，即認(rèn)為開關(guān)管為理想器件。圖3（a）中PWM₁和PWM₄同相，沒有移相，此時(shí)副邊輸出電壓最高，如果不計(jì)損耗，那么副邊的輸出電壓為nV_in，這是滿調(diào)制時(shí)的輸出，此時(shí)副邊通過主開關(guān)反并二極管來整流，即為不控整流。原邊的開關(guān)作用相當(dāng)于把輸入信號(hào)調(diào)制為交流的方波信號(hào)，副邊二極管則把該信號(hào)解調(diào)為直流電壓輸出，此時(shí)不存在脈寬的空缺，同時(shí)封鎖副邊脈沖。變壓器原邊輸入信號(hào)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(guān)周期)，v_ab正半波和負(fù)半波經(jīng)歷時(shí)間均為T/2(即π），v_ab經(jīng)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