基于DSP數字控制的零電壓全橋三電平DC-DC變換器實驗裝置研制

孫鐵成，王 鈺，郭 超，鞠雪強

(哈爾濱工業大學 電氣工程及自動化學院，黑龍江 哈爾濱 150001)

電力電子技術是電氣工程專業一門重要的專業基礎課，而課程實驗是對課程教學的有益補充[1]。伴隨著電力電子技術的發展，新型電路拓撲和控制方法不斷涌現。同時由于人們對于電力電子裝置的電壓等級、功率等級、效率及注入諧波等要求的不斷提高,多重化技術、多電平和軟開關等一系列新技術成為電力電子技術中的研究熱門。以DC-DC為例，學生學習到的不再僅僅是Buck、Boost等一些基礎拓撲。但傳統的DC-DC變換實驗仍基于Buck等簡單的電路，這很難培養起學生對于實驗的熱愛。此外，變換器的傳統的控制方法采用模擬控制芯片,如UC1875等[2],存在實現困難、抗干擾能力差等缺點。本次設計的實驗裝置以TI公司的TMS320F2812作為控制器。TMS320F2812廣泛應用于工業控制場合，它具有2個事件管理器，每一個事件管理器可以編程控制輸出8路PWM波，并可以完成上下橋臂死區時間的設置。它內部集成了12位的AD轉換模塊，方便對輸出電壓、電流進行采樣，而不需要外加芯片。同時，該芯片最高的工作頻率是150 MHz，其快速性可以很好地滿足電力電子裝置中的采樣、PI調節、PWM波輸出等功能[3-4]。

基于以上因素，設計了一套基于DSP數字控制、采用移向斬波控制策略的零電壓全橋三電平DC-DC變換器。以滿足學生對于新型電力電子技術以及數字控制方法的學習和實踐需求。

1 實驗裝置系統設計

全橋結構是國內外DC-DC變換器中最常用的電路拓撲之一，在中大功率應用場合更是首選，得到了廣泛的研究[5-7]。這其中全橋三電平零電壓變換器具有更高的功率等級，且適用于更高的電壓等級，具有很高的研究價值。但傳統拓撲存在滯后橋臂零電壓開關范圍窄、占空比丟失嚴重、輸出整流二極管反向電壓過沖、轉換效率較低等不足[8-10]。本文設計的零電壓全橋三電平DC-DC變換器實驗裝置以全橋DC-DC變換器為基礎，以TI公司的TMS320F2812為控制器，采用移相斬波控制，實現各主功率管的軟開關，并通過加入輔助網絡解決滯后管實現軟開關難的問題。副邊采用倍流整流電路，使整流二極管自然換流，解決了變壓器副邊電壓過沖和占空比丟失的問題。該設備主要應用于電力電子技術的實驗教學，讓學生可以親自動手操作變換器，觀察三電平技術和軟開關技術相應的實驗波形。本次開發的實驗掛箱電路及內部結構如圖1所示。

圖1 實驗掛箱

該掛箱與電力電子技術實驗課程的實驗平臺可配套使用，實驗時掛箱可以掛在實驗臺上，為實驗提供了一個良好的操作環境。

變換器的設計系統框圖見圖2，該實驗裝置由主電路和輔助電路組成。其中主電路包括輸入整流電路、三電平全橋逆變電路、倍流整流電路、輸出濾波電路。輔助電路包括MOS管的驅動電路、輸出過壓和欠壓保護電路、輸出過流保護電路。以TI公司的TMS320F2812作為控制器，完成PWM信號的給定、輸出電壓和電流的采樣、輸出電壓的閉環控制。驅動電路的作用是將DSP輸出的信號轉換成-5～14 V的MOS管驅動信號并實現主電路和控制電路的隔離。各種保護電路確保了實驗設備工作時不會出現欠壓、過壓以及過流的非正常工作狀況。體現了該電源裝置的安全性和對用電設備的保護作用。

圖2 零電壓全橋三電平DC-DC變換器系統框圖

2 變換器系統設計方案

2.1 主電路拓撲的設計

全橋型變換器是一種常用的隔離式DC-DC變換器，廣泛應用于中大功率場合。但隨著用電設備的發展，對電源的功率等級提出了進一步的要求。本實驗提出的三電平零電壓DC-DC變換器，其開關管兩端承受的電壓應力為輸入直流電壓的一半，開關管電壓應力大大減小，使其在高電壓大功率場合下得到廣泛的應用[11]。同時，由于采用了軟開關技術，使得MOS管的開關損耗大大降低，這樣可以進一步提升開關電源的工作頻率，有利于減小高頻變壓器的體積,從而在整體上實現效率的提高以及提升功率體積比。

本實驗裝置主電路如圖3所示，該電路由Q1—Q4及其反并聯二極管D1—D4、分壓電容Cd1和Cd2、續流二極管D7和D8、飛跨電容Css組成三電平橋臂。其中，飛跨電容的作用是使電路的斬波管和超前管的充放電過程實現解耦。由Q5—Q6及其反并聯二極管D5—D6構成兩電平橋臂[12]。變壓器原邊加入了輔助網絡幫助滯后橋臂實現開關管的軟開通，變壓器副邊采用了倍流整流電路，這樣在副邊整流過程中只有一個二極管壓降，有利于提高整機效率。

圖3 零電壓全橋三電平DC-DC變換器拓撲

變換器的控制信號和電路主要工作波形如圖4所示。其中，Q1和Q4是斬波管，Q2和Q3是超前管，Q5和Q6是滯后管。這種移相斬波控制給開關管實現零電壓開關創造了條件。

圖4 信號波形

2.2 輔助電路的設計開發

此實驗裝置的輔助電路部分主要包含開關管的驅動電路及各保護電路。其中驅動部分采用了隔離變壓器KD101，它將0～3.3 V的DSP輸出的控制信號變壓到-5～14 V的驅動信號，同時實現控制電路和主電路的隔離。驅動電路如圖5所示。

保護電路包括輸出過流保護以及過壓、欠壓保護，具體電路分別見圖6和圖7。其中，電流保護電路是采用霍爾傳感器將輸出電流信號轉換成電壓信號與給定值比較，出現過流時，將產生低電平的過流信號。電壓保護電路首先通過電壓隔離模塊實現控制電路與主電路的隔離。然后進行分壓，并分別與設定的過壓和欠壓值進行比較，一旦出現過壓欠壓的情況，將輸出低電平信號。當出現以上故障情況時，保護執行電路(見圖8)將動作。保護動作共有兩級，當產生保護信號時，與門輸出低電平，經反相器使兩個三極管導通。三極管導通后，DSP的PDPINTA引腳便被拉低，DSP輸出信號被封鎖，開關管關斷，主電路停止工作。另一級保護是，串入主電路的繼電器常閉觸點斷開實現斷電。這樣在硬件和軟件上同時設計了保護功能，保證了裝置的安全。

2.3 實驗裝置控制程序的開發

在該實驗裝置中，DSP主要功能是實現PWM信號的產生以及電壓和電流的采樣，并完成閉環控制和保護功能。該裝置的工作頻率為80 kHz，DSP芯片TMS320LF2812的最高時鐘頻率為150 MHz，且具有專門用于PWM信號產生的EV模塊，可方便地生成死區可調的PWM脈沖[13]。其電壓閉環調節的程序流程圖如圖9所示。DSP對輸出電壓進行采樣，并將采樣電壓與給定電壓進行比較。采用PI控制算法，計算并產生新的PWM脈沖信號，實現對輸出電壓的調節。

圖5 驅動電路

圖6 輸出過流保護

圖7 輸出過壓、欠壓保護

圖8 保護執行電路

圖9 程序流程圖

3 裝置實驗測試

根據以上理論完成的實驗樣機，主要性能指標如下：

直流輸入電壓：80 V～110 V；

直流輸出電壓：24 V；

額定輸出電流：10 A；

負載調整率：<1%；

紋波系數：<0.5%;

開關頻率：80 kHz；

額定負載變換器效率：>85%

實驗樣機各主要波形如圖10所示。其中10(a)為斬波管驅動信號與漏源電壓波形，可以清楚地看到漏源電壓在驅動信號到來之前，已經降為零了，很好地實現了軟開通；關斷時利用MOSFET結電容兩端電壓不能瞬變，近似地完成了零電壓關斷，斬波管較好地實現了零電壓開關。圖10(b)和圖10(c)分別是超前管和滯后管驅動波形和漏源電壓波形。它們同樣利用開關管的結電容和變壓器的漏感，實現了零電壓開關。圖10(d)和圖10(e)是變壓器原邊和副邊波形，可以很好地看到三電平波形，并且在變壓器副邊波形沒有電壓振蕩出現。圖10(f)是輸出電壓波形，輸出電壓的紋波峰峰值為75 mV，輸出電壓為24 V，計算得輸出電壓紋波系數為0.31%，滿足紋波系數小于0.5%的設計要求。

圖10 實驗樣機主要波形

實驗樣機的效率測試數據見表1。隨著電流的不斷增大，變換器的效率逐漸提高，當負載電流約10 A時，效率為85.2%，達到預期設定的指標。表2所示是輸出電壓與負載電流的關系，即實驗裝置的負載調整率，從表2數據可以算出，實驗樣機的負載調整率為0.29%，滿足要求。

表1 實驗裝置效率數據

表2 實驗裝置負載調整率數據

4 實驗裝置的用途

該實驗掛箱面板上的各測試點與電路板相連接，學生在做實驗時可以方便地測得各點波形。具有實驗安全、操作簡便、測試方便、便于觀察和學習等優點。該實驗可以分成兩大部分：

(1) DSP編程軟件CCStudio的學習和使用。學習使用C語言對DSP進行編程，使用ICETEK仿真器完成電腦與實驗裝置的通信，將寫好的程序燒寫到DSP中,并通過示波器觀察DSP輸出的6路PWM信號是否正確。并且可以通過CCStudio查看程序，在線修改程序，軟件調試方便。

(2) 變換器的調試。將正確的驅動信號送給主電路的MOSFET，并通過面板上的測試點觀察輸出的三電平波形。并且可以通過同時觀察MOSFET兩端電壓與其驅動信號，觀察開關管實現軟開關的波形。

該實驗裝置與教材內容結合緊密，對于學生學習和實踐三電平和軟開關技術具有很好的指導效果。該裝置已用于本科生的電力電子技術實驗及本科生的畢業設計工作。

5 結束語

自主研制了基于DSP控制的零電壓三電平DC-DC變換器實驗裝置。該裝置采用了三電平技術和軟開關技術等較新的電力電子技術，具有與理論課程結合緊密、技術先進、安全可靠、易于操作、便于學習、軟件調試方便等優點。非常適合在電力電子實驗教學環節中讓學生動手實踐。讓學生親自動手測得三電平波形，并觀察軟開關的實現,是對現代電力電子技術課程的一個很好的補充和輔助。

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