基于DSP控制的數字式雙向DC/DC變換器的實現

摘要：總結了電力電子領域數字控制的發展歷程，并對其現狀和前景作了分析。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，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，電壓可調性和穩壓輸出都得到滿足。同時也由軟件實現電路的雙向運行，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展而飛速發展，同時，也對電力電子技術的發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，只是完成諸如監控、顯示等輔助功能，實現系統級的控制。但是，隨著數字化技術的發展，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相連接，并且可以方便地實現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，相對于傳統的模擬控制有很多優點。數字濾波器是用來進行動態調節的，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調節特性。同時，基本的數字控制器可以很容易地實現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展歷程的總結，歸納了數字控制的優點。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，將控制功能全部集中起來由軟件實現，試驗中電壓可調性和穩壓輸出都得到滿足。同時，也由軟件實現電路的雙向運行，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，整個控制系統為所開發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、航天電源系統、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，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