數(shù)字控制的移相全橋零電壓變換器設(shè)計

姜婷婷，周松林

（銅陵學院 電氣工程學院，安徽 銅陵 244061）

在中大功率DC/DC變換器中一般采用全橋變換的電路結(jié)構(gòu)[1-3]，移相PWM控制方式因為具有很多的優(yōu)良性能而應(yīng)用得十分普遍，在零電壓或零電流的條件下導通或關(guān)斷的功率器件，由于采用了軟開關(guān)技術(shù)可以大大降低開關(guān)管的損耗.在控制策略方面，常規(guī)PID電壓型控制通過測量變換器輸出電壓實現(xiàn)閉環(huán)控制，López-Flores D R等人[4]采用電壓型控制實現(xiàn)了移相全橋變換器的閉環(huán)控制，但動態(tài)響應(yīng)不夠迅速.

本文采用移相PWM控制結(jié)合軟開關(guān)技術(shù)，實現(xiàn)了超前相臂和滯后相臂的軟開關(guān).另外主要介紹了電流型控制方式及數(shù)字位置式PID控制的實現(xiàn)，并搭建了一臺100W的實驗樣機，經(jīng)實驗結(jié)果分析此方案實現(xiàn)零電壓是可行的，且控制效果良好.

1 主電路拓撲及工作原理

移相全橋ZVS DC/DC變換器主電路結(jié)構(gòu)[5,6]如圖1所示.其中Q1和Q3組成超前橋臂，Q2和Q4組成滯后橋臂.C1～C4分別是Q1～Q4的諧振電容，包括寄生電容和外接電容.Lr是諧振電感，包括變壓器的漏感.Q1和Q3分別超前Q4和Q2一個相位，即移相角，通過調(diào)節(jié)移相角大小可調(diào)節(jié)輸出電壓值[7].移相控制ZVS PWM DC/DC全橋變換器在一個開關(guān)周期中，開關(guān)模態(tài)也有12種[8]，主要波形如圖2所示.

圖1 移相全橋ZVS變換器主電路拓撲

圖2 移相全橋ZVS波形圖

移相全橋軟開關(guān)變換器對角線開關(guān)管驅(qū)動信號，即Q1和Q4或Q2和Q3，兩開關(guān)管之前相位差決定了移相角的大小，如圖2所示，通過調(diào)節(jié)移相角來調(diào)節(jié)輸出電壓，讓超前臂Q1或Q3上電壓領(lǐng)先于滯后臂Q4或Q2上電壓一個相位，并對同一橋臂的兩個反相驅(qū)動信號設(shè)置死區(qū)時間，便可以利用變壓器漏感、開關(guān)管結(jié)電容及變壓器一二次側(cè)之間的寄生電容來完成諧振過程，巧妙地實現(xiàn)開關(guān)管零電壓開通或關(guān)斷，完成軟開關(guān)方式.

2 小信號建模

因為從工作方式上，Buck變換器和全橋變換器相似，所以先建立Buck電路的小信號模型[9,10]，再通過相關(guān)等效變換得到移相全橋ZVS DC/DC變換器的小信號模型.

移相全橋變換器與Buck電路不同，副邊占空比丟失是移相全橋ZVS PWM變換器一個重要的現(xiàn)象.副邊的占空比Dy小于原邊的占空比D，其差值就是副邊占空比丟失，即Dy=D-Dloss，其中 Dloss為丟失占空比，可知 Dloss=2Lr(Ic+NIo)/VinTs[11]，其中Ic和Io分別為輸出濾波電容上電流和輸出電流，所以

由式1可看出，Dy受原邊占空比D，輸出電流Io以及輸入直流電壓Vin三者的共同影響.若D、Io、Vin產(chǎn)生擾動，則Dy也會產(chǎn)生與三者相對應(yīng)的擾動.設(shè)由D、Io、Vin產(chǎn)生的擾動量分別為它們使 Dy產(chǎn)生的相應(yīng)擾動量分別為

根據(jù)以上分析可知，原邊占空比的擾動對有效占空比的影響為

輸出電流的擾動對有效占空比的影響為

輸入電壓的擾動對有效占空比的影響

所以根據(jù)以上分析，可用Dy代替D，用NVin代替Vin就可以得出移相全橋電路小信號模型[12]，如圖3所示.

圖3 ZVS移相變換器小信號模型

由此求得移相全橋變換器的傳遞函數(shù)分別為式8和9所示，

式中，Rd=2N2Lr/Ts=2N2Lrfs.

3 基于STM32F407的控制系統(tǒng)設(shè)計

由系統(tǒng)框圖4可以看出，變換器的電壓電流信號經(jīng)過隔離和調(diào)理后送入數(shù)字控制器STM32F407VG的AD，根據(jù)輸入采樣信號的大小計算誤差信號，誤差信號又經(jīng)電流型控制的補償環(huán)節(jié)，分別為電流環(huán)PID和電壓環(huán)PID控制器，其中電流環(huán)為內(nèi)環(huán)，電壓環(huán)為外環(huán)，最后得到PWM控制量送入移相PWM發(fā)生器，調(diào)整移相角的大小，完成電流型控制.

圖4 系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)圖

3.1 驅(qū)動信號的產(chǎn)生

STM32F407VG擁有豐富的定時器資源，包括12個16位通用定時器，2個32位高精度定時器，2個高級定時器和2個基本定時器[13].2個高級定時器(TIM1和TIM8)分別擁有4個可以配置成互補輸出的比較通道，并在硬件上支持死區(qū)插入.同時為了加強定時器之間的溝通，每個定時器都可以配置為主模式和從模式，從定時器可以被主定時器復位，觸發(fā)或者門控，利用從模式控制器，可以無程序介入地產(chǎn)生所需的移相全橋控制信號.將TIM1配置為主定時器，通道1作為超前臂Q1和Q3的互補PWM輸出；TIM8配置為從定時器，通道1作為滯后臂Q4和Q2的互補PWM輸出.

如圖5所示，超前臂開關(guān)管Q1和Q3分別由TIM1的CH1和CH1N驅(qū)動，滯后臂開關(guān)管Q4和Q2則分別由TIM8的CH1和CH1N驅(qū)動.TIM1的通道4比較匹配信號作為TIM8的復位控制信號，因此寫入TIM1_CCR4值的大小決定了移相角的大小，此過程無須程序介入，大大提高了工作效率和系統(tǒng)可靠性.

圖5 移相驅(qū)動信號的產(chǎn)生

3.2 數(shù)字雙閉環(huán)PID控制設(shè)計

數(shù)字PID控制屬于一種采樣控制，它只能根據(jù)采樣時刻的偏差值計算相應(yīng)控制量.本設(shè)計的電流型控制，電流環(huán)和電壓環(huán)補償均采用位置式PID控制算法.

其中Δu(kT)、ΔIL(kT)分別表示第k個采樣周期的電壓環(huán)和電流環(huán)的輸入差值，ΔVo(k)表示參考電壓值和實際電壓值的電壓誤差信號，kp、ki和 kd是電壓環(huán)的 PID 參數(shù)，k'p、k'i和k'd是電流環(huán)的PID參數(shù)，u_pi(kT)和i_pi(kT)分別表示電壓環(huán)和電流環(huán)的輸出值.

3.3 軟件實現(xiàn)

控制系統(tǒng)的軟件部分由三部分組成，即系統(tǒng)初始化和主循環(huán).初始化程序主要完成系統(tǒng)啟動后時鐘設(shè)置，外設(shè)配置等，為后面的程序準備好運行環(huán)境.主程序則是雙閉環(huán)控制的核心所在，完成PID調(diào)節(jié)和過流保護功能.流程圖如下圖6所示：

圖6 程序流程圖

4 樣機實驗調(diào)試與分析

電路主參數(shù)：輸入電壓Vin=20V，輸出電壓Vo=100V，開關(guān)頻率fs=24kHZ，功率100W的DC/DC變換器，負載電阻RL=120Ω，開關(guān)管導通內(nèi)阻 RDS_ON=0.01Ω，諧振電容C=100nF，諧振電感Lr=3uH，隔直電容Cb=100uF，變壓器原副邊比1:N=1:8，原邊自感100uH，濾波電感Lf=2mH，濾波電容Cf=220uF.

4.1 MATLAB仿真實驗

圖7 輸出電壓仿真結(jié)果

圖8 零電壓開關(guān)管仿真波形

由仿真結(jié)果看出，輸出電壓穩(wěn)定在100V左右，且穩(wěn)定時間較短，系統(tǒng)穩(wěn)定性良好，動態(tài)響應(yīng)迅速.

4.2 樣機調(diào)試實驗

搭建了實驗樣機，實驗樣機如圖9所示，實驗波形如圖10、11和 12.

圖9 實驗樣機

圖10 輸出電壓波形

輸出電壓波形穩(wěn)定，沒有出現(xiàn)尖峰和抖動.設(shè)定100V輸出時，用萬用表測試輸出電壓為99.8V，紋波電壓低于0.5V，證明雙閉環(huán)控制發(fā)揮了良好的效果.

如圖11所示，原邊電流波形和理論分析相一致，在對角的開關(guān)管打開時，原邊電流緩慢增加，超前臂關(guān)斷后，電流開始緩慢下降，經(jīng)歷移相時間后，滯后臂關(guān)斷，變壓器原副邊電壓均為0，原邊諧振電感承受電源電壓，電流迅速下降，進入換流階段.

圖11 原邊電流波形

圖12 零電壓開關(guān)管波形

如圖12所示，可以看出在額定負載條件下，超前臂和滯后臂均很好地實現(xiàn)了零電壓開關(guān).在開通信號VGS到達之前，開關(guān)管漏源電壓已下降到零，但開關(guān)管兩端電壓有震蕩和尖峰現(xiàn)象.從實驗波形圖可以看出，實驗樣機可以很好地實現(xiàn)軟開關(guān)，與文中所述的原理分析一致，達到設(shè)計要求.

5 結(jié)論

提出了一種采用軟開關(guān)技術(shù)且采用電流型控制方案，由仿真實驗和樣機調(diào)試的實驗結(jié)果可知移相全橋零電壓變換器控制系統(tǒng)設(shè)計合理，基于數(shù)字控制的數(shù)字PID控制算法合適，開關(guān)管可以較好實現(xiàn)ZVS開通，系統(tǒng)工作正常，靜態(tài)性能和動態(tài)性能良好，輸出電壓在誤差允許范圍內(nèi)，動態(tài)響應(yīng)良好，可較好完成軟開關(guān)和閉環(huán)控制，具有一定實用性.