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基于dsPIC30F2020的移相控制全桥变换器

2020-07-27 来源:年旅网
维普资讯 http://www.cqvip.com 第11卷第7期 奄涤擞 应阙 Vo1.11 No.7 2008年7月 POWER SUPPIJY TECHNOLOGIES AND APPLICATIONS July 2008 基于dsPIC 30F2020的 移相控制全桥变换器 洪波 , 孙佩石 , 苏建徽 (1.合肥工业大学电气及自动化工程学院,安徽合肥230009) (2.合肥工业大学能源研究所, 安徽合肥230009) 摘 要:介绍了dsPIC3OF2020芯片及其在DC/DC变换器控制中的应用,并用该芯片作为主控制 芯片设计了一个平均电流模式控制的移相控制全桥DC/DC变换器,最后比较了数字式控制DC/ DC变换器与模拟电路控制的DC/DC变换器的优缺点。 关键词:全桥变换器;数字式控制器;dsPIC3OF2O2O;平均电流模式 Phase.—-shifted Ful1.—-bridge Convertor Based on dsPIC30F2020 HONG Bo , SUN Pei—shi , SU Jian—hui (1.School of Electircal Engineering and Automation,Hefei University of Technology, Hefei Anhui 230009, China) (2.Graduate School for Power,Hefei University of Technology, Hefei Anhui 230009,China) Abstract:The chip dsPIC3Of2020 is introduced and its application in DC/DC convertor is discussed.A phase-shifted zem—voltage—switching DC/DC PWM ̄ll-bfidge convertor which is controlled by digital controller is developed.At last, the di ̄tM controller with traditional controller based on analogue circuit is compared and their merit and disadvantage are pointed out. Keywords: ̄ll-bfidge convertor;digital controller;dsPIC30F2020;average current mode control 中图分类号:TM46 文献标识码:A 文章编号:0219—2713(2008)07—0033—06 0 引言 采用Microchip公司专为电源控制设计的 dsPIC3OF2020为主控制芯片设计一个数字控制的 全桥变换电路拓扑是目前中大功率DC/DC 移相全桥DC/DC变换器,并比较数字式控制的开 变换电路中最常用的拓扑形式之一。这主要是考 关电源与模拟电路控制开关电源的优缺点。 虑它具有功率开关器件电压、电流额定值较小,功 率变压器利用率较高等明显优点。目前全桥变换 1 控制芯片dsPIC30F2020介绍f 3l 4l 器的控制基本上都采用集成模拟器件为核心的模 拟电路控制,例如使用UC3875为核心组成的模 dsPIC3OF2020是Microchip公司专为电源控 拟电路控制全桥变换器。模拟电路控制有电路设 制所设计的一种16位数字信号控制器(DSC)。它 计复杂、功能不易扩展、通用性不好等缺点,本文 采用哈佛架构,它有一个16位CPU和一个DSP 内核,速度最大可达到30MIPS;另外包括12K的 收稿日期:2007—09—26 片内Flash程序空间、512B的片内RAM、32个中 33 维普资讯 http://www.cqvip.com 第11卷第7期 鼋涤艘 石用 Vo1.11 No.7 2008年7月 POWER SUPPI Y TECHNOLOGIES AND APPLlCATIONS Julv 2008 断源,其中3个是外部中断,有一路全双工的 PWM发生器有一个各自独立的外部故障输人 UART功能模块、一个同步串行SPI功能模块、一 (IFLTx),可以在外部故障输人引脚高电平有效时 个FC串行通信模块,片内设有一个8通道的A/D 通过编程实现对PWM输出的改写,这一功能可以 转换器,工作在l0位模式,有3个l6位定时器/ 应用到开关电源的故障保护,既将开关电源的故 计数器,4个l6位输人捕捉单元,4个PWM发生 障信号接到SFLTx引脚,当开关电源故障时, 器共有8路PWM输出。 SFLTx引脚高电平有效,通过编程将PWM输出都 dsPIC30F2020片内PWM模块是其设计特色 改写成低电平,闭锁PWM输出。每个PWM发生 之一 ,PWM模块共有4个PWM发生器。如图1 器既可以工作在公用的主时基和主占空比模式 所示是其中一个PWM发生器的结构框图。 下,又可以工作在各自独立的时基和占空比模式 每个PWM发生器输出两路PWM波,分别为 下,PWM模块工作在主时基模式下时,4个PWM PWMxL和PWMxH(其中x=l,2,3,4),同一个 发生器的PWM周期都由寄存器PTPER确定,各 PWM发生器的两路PWM波可以配置成互补 PWM发生器的寄存器PHASEx用来确定两个 (Complementary)输出、推挽(Push—Pul1)输出和独 PWM发生器的PWM信号的移相相位角,工作在 立多相(Multi—Phase)输出。两个PWM发生器的 独立时基模式时,各PWM发生器的PWM周期由 PWM波之间可以配置成移相(Variable Phase)输 各自的寄存器PHASEx确定。PWM模块工作在主 出或独立多相输出,配置成移相输出时,各PWM 占空比模式下时,4个PWM发生器的PWM占空 发生器必须工作在主时基模式下。PWM模块有两 比都由寄存器MDC确定,工作在独立占空比模式 个公用的可编程的外部故障输入(SFLTx),各 时,各PWM发生器的PWM占空比由各自的占空 图1 PWM发生器框图 34 维普资讯 http://www.cqvip.com ★控翻技术 ——基于dsPIC30F2020的移相控制全桥变换器—— 比寄存器PDCx确定。所以PWM模块可以灵活控 制,适用于不同拓扑和不同控制要求的开关电源。 在运算速度为30MIPS时占空比分辩率可达到 1.05ns,死区时间和移相分辩率可达4.2ns。 图2 采样时刻可编程 dsPIC30F2020的A/D模块是10位的,共有 2 基于dsPIC30F2020的移相控制全桥 12路采样通道,其中AN0、AN2、AN4、AN6通道具 PWM变换器 有各自独立的采样保持器,其他通道共用一个采 样保持器。它的采样都是成对的,相邻的两个通道 2.1 系统硬件结构 为一对,例 ̄H(AN0、AN1)为一对,一对通道同时采 基于dsPIC30F2020的移相控制全桥PWM变 样,在电源控制中,这种特性可以用来同时采样电 换器的系统硬件结构如图3所示。通过dsPIC的 压和电流,这样可以减少控制环的相位滞后,A/D 采样和A/D转换将变换器的输出电压和滤波电感 模块有多种触发启动方式,在电源控制中最常用 流过的电流转换成数字量,利用软件实现电压电 的就是PWM波触发启动A/D采样,A/D采样频 流双闭环控制并产生移相PWM驱动信号。 率可编程,在PWM波周期内采样时刻可编程,如 系统由全桥变换器、数字控制器、驱动电路组 成。其中数字控制器由dsPIC30F2020芯片、采样 图2所示,可以编程在a点采样,也可以在b点采 电路、保护电路等组成,驱动芯片采用TLP521。 样。 全桥变换器参数如下:额定输出功率580W, dsPIC30F2020的开关电源比较器模块(SMPS 输出电压48V,输出电流12A,开关频率25kHz,变 Comparator Module)可以实时地监测电压和电流 压器变比18:6,滤波电感L =2401xH,滤波电容 的瞬时值,并与给定值进行比较,比较器的输出可 Cl=C2=470 ̄F(400V)、 : =3300 F(63V o主电 编程为闭锁PWM波,这为开关电源的过电压、过 路开关器件采用IRF640,次级全波整流电路的整 电流保护提供了方便,可以不利用ADC模块和处 流二极管采用快恢复二极对管Mur3060。 理器处理直接实现开关电源的保护,这样处理器 在本文的控制器中共设计两路采样,AN0通 可以更好地处理其他主要任务。 道采样变换器的负载电压,AN1通道采样变换器 一 D。 D3 匡 匡 l L ‘220V EM1 == C+  I= C lI { } v D i。 I I笙 .上. -。 + IJl-  r I—/"1 : 一 D D [!] .白 卜_ —・--I-------一 g 2 力信 Ⅱ J28 SF£ 1 M_cLR 1 引 蜓 戥一 l — SF£ 2 ANO l—— PGD AN1 l  JI I I 遥—— PGC C^Ⅱ’2A 输入直流电压 VSS C~IP2B 变压器原边电流 拉 一 VDD Cn lP3A 散热器温度 蒋 一 RE6 C IP3B RE5 VSS _-1f  驱 h卜h蹦 I} Il  PWM2PWM2H L OS0SC1C2  I PWM1H EMUDI PWM1L EMUCl 15 AVSS VDD 14 A= D SCKl dsPlC30F2020 图3 移相全桥PWM变换器系统硬件结构图 35 维普资讯 http://www.cqvip.com

第11卷第7期 2008年7月 奄涤艘 石I1日 POWER SUPPLY TECHNOLOGIES AND APPLICATIONS Vo1.11 No.7 July 2008 的滤波电感流过的电流,为了确保控制器和变换 器主电路的隔离,电流采样采用霍尔电流传感器, 电压采样采用线型光耦LOC I 1 1隔离[21。 保护电路有两部分,一是利用开关电源比较 器模块实时监测输入电压、变压器原边电流和散 热器温度,实现过电压、过电流和开关管过热时闭 锁PWM波,保护全桥变换器,另一部分是由驱动 电路提供的驱动电压欠压和各个开关管过电流保 护信号,这些信号相或后接人PWM模块的公用故 障输入端口SFLT1,当有故障时闭锁PWM输出, 保护全桥变换器。 PWM波输出使用两个PWM发生器,共4路 PWM波输出,驱动全桥变换器的4个开关管,同 一个PWM发生器的两个PWM输出配置成互补 输出,死区时间可编程,两个PWM发生器输出的 PWM波配置成移相输出。 2.2 控制环路设计 PWM型开关稳压电源是一个闭环系统,其基 本工作原理就是在输入电压、内部元器件参数、 外接负载等因素发生变化时,通过检测被控制信 号与基准信号的差值,利用差值调节主电路功率 开关器件的导通脉冲宽度,从而改变输出电压的 平均值,使得开关电源的输出电压保持稳定。对于 移相控制全桥DC/DC变换器,其每个桥臂的两个 开关管互补导通,两个桥臂的导通之间相差一个 相位,即移相角。通过调节此移相角的大小,来调 节输出电压脉冲宽度,在变压器副边得到占空比 D可调的正负半周对称的交流方波电压,从而达 到调节相应的输出电压的目的。 本文采用平均值电流控制模式[61,平均电流控 制是双闭环控制,包括电流内环和电压外环,电压 外环的输出值作为电流内环的给定值,电流内环 控制变换器滤波电感的平均电流。 本文的数字PID控制用间接设计法,即先设 计模拟PID控制,再将模拟PID控制离散化。为建 立PID控制器模型,先建立全桥变换器的数学模 型。把全桥变换器分为两部分,分别建立s域数学 模型,全桥逆变电路、高频变压器和全波整流电路 为一部分,LC输出滤波电路为一部分。假设: (1)全桥电路的功率开关管和整流电路的整 流二极管是理想的开关器件; (2)高频变压器是理想的变压器。 当LC输出滤波器的截止频率与开关频率相 比足够低,直流母线电压恒定时,移相全桥DC/DC 变换器的全桥逆变电路、高频变压器和全波整流 电路可以简化成一个增益恒定的放大器,在s域 图4 全桥变换器主电路S域模型 内的数学模型如图4所示。 因为电流内环控制输出滤波电路电感上的平 均电流,在建立LC输出滤波电路s域数学模型 时,需要把滤波电感电流解耦出来,LC输出滤波 图5 LC输出滤波器S域模型 电路s域数学模型如图5所示。 由此可以得到全桥变换器平均电流双闭环系 统框图如图6所示。 其中 为直流母线电压扰动。按典型I型系 统对电流内环进行设计,按典型II型系统对电压 外环进行设计[71,电压外环采用PID调节器,电流 内环采用PI调节器。 2.3 软件设计 本文设计的数字控制器程序完成全桥变换器 的软启动和电压电流双环的PID控制。在全桥变 换器开始启动时通过定时器定时使移相角逐渐减 小,全桥变换器输出电压按斜坡上升,完成软启 动。软启动结束后,进入主循环,使用PWM波触发 A/D采样和转换,每个PWM周期完成一次A/D采 样和转换,在ADC中断程序中计算电压电流双环 的PI控制和移相角更新。主程序流程图如图7(a) 所示,ADC中断程序流程图如图7(b)所示。本文 设计的全桥变换器PWM周期是401xs,每个PWM 周期触发一次ADC模块,ADC中断程序应在 40txs内完成,所以ADC中断程序、平均值滤波程 序、PID控制程序使用汇编语言编程,这样运算速 维普资讯 http://www.cqvip.com ★控绷技术 ——基于dsPIC30F2020的移相控制全桥变换器—— 图6 全桥变换器平均值电流控制结构图 度更快。dsPIC的运算速度为30MIPS,在此运算速 度下ADC采样耗时2 s,负载电压采样通道AN0 薹 匝 t’ 电压外环PID 控制初始化 和电感电流采样通道AN1同时采样,A/D转换一 二[ 次耗时0.5 s,AN0和AN1分别转换,A/D转换共 电流内环PID 初始化 耗时l s,平均值滤波程序耗时2 s,PID控制程 序耗时2 s,加上数据格式转换以及PWM更新等 的耗时,ADC中断程序共耗时大约ll s左右,小 于401 ̄s,可以对全桥变换器进行逐周期控制。 ●Y l开定时器中断 3 实验结果 — 图8(a)为全桥变换器逆变桥的输出电压波形, 因为变压器、耦合电容、分布电感等的存在,电流 波形有小的振荡,图8(b)是变压器原边电流在变 (a) 主程序流程图 换器空载的时候,电流供给不连续的状态下变压 器原边电流。图8(c)是次级经全波整流后的电压 波形。 调用PID控制 程序计算电压 外环PID控制 4 数字控制的开关电源与模拟电路控制 读取输出电压 A/D转换结果 的开关电源的比较 存入指定存储器 调用PID控制 工读取电感电流  程序讨算电流 内环PID控制 A/D转换结果 二]== 本文设计的数字控制的全桥变换器与模拟电 存入指定存储器 更新PWM的 路控制变换器相比较有下面几个优点: 工 移相角 (1)简化了控制器的电路设计,数字式控制器 将采样值转换成 二]二= 的控制和PWM输出以及保护都是通过软件实现, O15数据格式 清ADC中断标志位 简化了控制电路,使控制器设计更加简单,调试也 工 更加简单,同时增强了控制器的抗干扰性能和可 调用滤波程序, 对采样值进行 靠性; 平均值滤波 (2)可通用性好,同一个数字式控制器,通过 不同的软件可以控制不同拓扑结构的DC/DC变 (b) ADC中断程序流程图 换器,不需要重新设计控制器硬件电路,而只需按 图7 主程序流程图 控制要求更改软件即可,这样可以缩短研发周期, 37 维普资讯 http://www.cqvip.com 第11卷第7期 2008年7月 电涿艘 石用 POWER SUPPLY TECHNOLOGIES AND APPLICATIONS V01.11 No.7 July 2008 (a) 逆变桥输出电压(1OOV/div.21 ̄s/div) (b) 变压器原边电流(2A/div.2 ̄s/div) (c) 副边整流后电压(18V/div.2 ̄xs/div) 图8 实验波形 同时也更加便于维护; (3)可以实现DC/DC变换器的智能化, dsPIC3OF2020有通讯模块,利用其自身的通讯模 块可以实现开关电源的智能化;而模拟电路控制 的变换器要实现智能化,必须增加具有通讯功能 的单片机,这同时也使硬件电路更加复杂。 数字式开关电源与模拟电路开关电源相比较 有以下几点不足: (1)分辨率不如模拟电路控制器,模拟电路控 制器可以连续控制,分辨率高,数字式控制器分辨 率受制于开关频率和PWM波分辩率,本文设计的 控制器的占空比分辩率为1.05ns,但是在移相控 38 制模式时,分辩率仅为4.2ns; (2)由于微处理器价格远高于模拟集成控制 芯片,再加上数字式控制器还需要辅助电源,所以 对中小功率开关电源而言数字式开关电源不具有 成本优势,一般数字式控制器应用于大功率电源。 5 结语 基于数字信号控制器(DSC)的数字控制由于 高集成度、控制方式灵活、设计具有较大延续性等 独特优点,已逐渐成为电力电子研究领域中的一 个重要发展方向。本文设计的基于dsPIC30F2020 的移相控制全桥变换器不仅将高性能的DSC与 电力电子高频变换应用紧密结合,为电力电子设 计提供了一种新思路;同时也给出了移相控制全 桥DC/DC变换器的一套完整数字控制解决方案。 参考文献 【1】许大宇,阮新波,严仰光.对移相控制零电压开关 PWM全桥直流变换器的新型理论分析方法IJ].电机 与控制学报,2003,7(2):112—116 [2】李树靖,林凌,李刚.LOCI1X系列光耦合器的特性及 应用【J].国外电子元器件,2003.6,42—44. [3] Microchip Technology Inc.dsPIC30F系列参考手册【Z]. DS70046D—CN,2005. [4] Microchip Technology Inc.dsPIC30F1010/202X Datasheet 【Z].DS70178A,2006. [5]黄一夫.微型计算机控制技术(第1版)[M].机械工 业出版社.1997. [6]张先谋,李耀华.平均电流模式控制软开关移相全桥 DC/DC变换器[JJ.电工电能新技术,2003.4,22(2):20— 22.46. [7]陈伯时.电力拖动自动控制系统(第3版)[M].机械工 业出版社.2003. 作者简介 洪波(1977一),男,硕士,研究方向为电力电子技术。 

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