基于DSP控制的數字式雙向DC/DC變換器的實現(xiàn)

摘要：總結了電力電子領域數字控制的發(fā)展歷程，并對其現(xiàn)狀和前景作了分析。基于對全橋隔離型的雙向DC/DC變換器工作原理的分析，從簡化硬件電路的角度出發(fā)，設計了數字控制的雙向DC/DC變換器。試驗控制功能全部由軟件實現(xiàn)，電壓可調性和穩(wěn)壓輸出都得到滿足。同時也由軟件實現(xiàn)電路的雙向運行，對蓄電池可以進行恒流充電。

關鍵詞：雙向DC/DC變換器；數字信號處理器；數字脈寬調制（DPWM）

0 引言

數字化技術隨著信息技術的發(fā)展而飛速發(fā)展，同時，也對電力電子技術的發(fā)展起到了巨大的推動作用。隨著電力電子技術和數字控制技術的發(fā)展，越來越多的數字控制開關變換器投入使用。但是，在高頻PWM變換器中還存在一些需要解決的問題。

隨著數字信號處理技術的日益完善和成熟，它顯示出了越來越多的優(yōu)點，諸如便于計算機的處理和控制；避免模擬信號的傳遞畸變和失真；減少雜散信號的干擾；便于自診斷，容錯等技術的植入等。在計算機進入電力電子技術領域的初期，只是完成諸如監(jiān)控、顯示等輔助功能，實現(xiàn)系統(tǒng)級的控制。但是，隨著數字化技術的發(fā)展，計算機已經被應用于控制電路。專用于PWM變換器的數字控制器由于其功耗低，對模擬電路部分參數變化不敏感，可以方便地和數字系統(tǒng)相連接，并且可以方便地實現(xiàn)完善成熟的控制方案，而越來越受歡迎。此方面的應用包括電壓調節(jié)模塊（VRM）的微處理器，音頻放大器，便攜式電子裝備等等。

數字控制的電力電子裝置以數字控制器代替模擬硬件電路進行PWM控制，通過開關的快速切換實現(xiàn)電量的變換。以占空比量化為基礎的數字功率變換器的數字控制，相對于傳統(tǒng)的模擬控制有很多優(yōu)點。數字濾波器是用來進行動態(tài)調節(jié)的，若設定其采樣頻率等于功率變換器的采樣頻率，量化占空比數字控制器可以工作在任何開關頻率，而不須再補償。通過對權系數的修改，可以方便地改變動態(tài)調節(jié)特性。同時，基本的數字控制器可以很容易地實現(xiàn)諸如輸出電流限幅和軟啟動等特殊功能。

本文基于對數字控制發(fā)展歷程的總結，歸納了數字控制的優(yōu)點。通過對全橋隔離型的雙向DC/DC變換器工作原理的分析，從簡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現(xiàn)，試驗中電壓可調性和穩(wěn)壓輸出都得到滿足。同時，也由軟件實現(xiàn)電路的雙向運行，對蓄電池可以進行恒流充電。試驗所采用的數字控制器是TMS320LF2407，整個控制系統(tǒng)為所開發(fā)的通用電力電子裝置的數字控制平臺。

1 數字控制雙向DC/DC變換器基本結構及其工作原理

隨著科技和生產的發(fā)展，對雙向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)、電動汽車、直流功率放大器及蓄電池儲能等應用場合。

數字脈寬調制（DPWM）雙向DC/DC變換器的基本結構如圖1所示。本文采用全橋隔離型雙向DC/DC變換器作為實驗裝置的主電路結構。

圖1 DPWM雙向DC/DC變換器方框圖

控制器由模數轉換器（ADC），DPWM控制模塊和離散調節(jié)控制模塊組成。其中ADC模塊把可調量（典型的是采樣輸出電壓V_out）離散量化，DPWM把控制信息轉化為PWM脈寬信號，離散控制中心執(zhí)行對反饋量的計算調制。

下面對雙向DC/DC主電路的工作原理進行簡單分析，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 原邊對副邊放電

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