XMC4500控制的移相全橋ZVS DC/DC變換器

　　移相全橋變換器移相PWM信號的產生方式主要有模擬電路控制和數字電路控制兩種。首先分析了數字控制與模擬控制對系統整體性能的影響;然後簡要介紹了移相全橋DC/DC變換器PWM信號的特點，最後詳細介紹了數字控制的具體實現過程。

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　　引言

　　ZVS(ZeroVoltageSwitching，移相全橋) DC/DC轉換器是一款適用於中大功率場合的直流轉換器，它可充分利用功率器件的寄生參數和諧振電感實現功率開關的零電壓導通，降低開關管的導通損耗，減小了系統的體積和重量[1]，提高了開關管的開關頻率和系統的轉換效率。

　　實現全橋變換器的移相PWM控制的方法很多，傳統的控制方法可利用集成控制晶片搭建模擬控制電路來實現反饋調節，產生具有一定相位差的PWM控制波形。隨著數位訊號處理技術的快速發展，各種微控制器的性價比不斷提高，數字控制已經成為了大中功率開關電源的發展趨勢。與模擬控制相比，數字控制可以完成複雜的控制算法，且不存在溫漂，避免了模擬信號的畸變失真，減小雜散信號的幹擾，並且可以實現通信和網絡控制的功能，使控制系統具有更好的穩定性和更強的靈活性[2]。數字控制的這些優點大大提高了變換器的整體性能，使得變換器成為具有高精度、高可靠性、高效率和高功率密度的設備。

　　本文針對工程中廣泛應用的帶同步整流功能的移相全橋ZVS DC/DC 變換器，利用英飛凌新推出的XMC4500系列控制晶片，將數字控制成功引入到高頻DC/DC 變換器應用場合，不僅實現了模擬控制的全部功能，而且具備了數字系統所特有的高性能、控制靈活等優點。

　　1 移相全橋ZVS DC/DC 變換器主電路拓撲結構

　　移相全橋ZVS DC/DC轉換器的電路拓撲結構如圖1所示。

　　  

 

　　圖1 移相全橋ZVS DC/DC拓撲結構

　　在變壓器的原邊電路中，採用的是全橋逆變電路。Q1~Q4為IGBT或MOSFET功率開關器件，D1~D4分別為Q1~Q4的寄生二極體，C1~C4為Q1~Q4的寄生電容或外接電容。Lr為諧振電感，它包括變壓器漏感和外接電感。

　　在變壓器的副邊，採用的是全橋整流電路。因為該轉換器的輸出電流很大，若使用整流二極體，會產生很大的功耗。由於功率MOSFET的通態電阻很小，可以達到幾mΩ，因此可使用低壓大電流的MOSFET替代傳統DC-DC轉換器中的續流二極體或整流二極體，降低功耗，提高電源的轉換效率。功率MOSFET屬於電壓控制型器件，用功率MOSFET做整流器時，要求柵極電壓必須與被整流電壓的相位保持同步才能完成整流功能，故稱之為同步整流[3]。圖1中SR1~SR4即表示MOSFET管。

　　移相全橋ZVS DC/DC轉換器本質上是一種PWM控制方式，但與傳統的PWM控制又有很大的區別：每一橋臂上的兩個功率開關相差180°互補導通;其中一個橋臂上兩個功率開關的導通角分別以一定的相位滯後於另一橋臂上所對應的功率開關。也就是說，逆變橋四個開關管本身的佔空比沒有改變，而是通過調整相應開關管的相位差，來實現變壓器原邊電壓佔空比的改變，即所謂的移相控制方式。

　　在一個開關周期中，移相全橋ZVS DC/DC轉換器有12種開關狀態[4]，採用移相全橋ZVS控制方式，可充分利用功率開關器件的寄生電容或外接電容來實現開關管的零電壓導通，電路結構簡單、可靠性高。

　　其主電路主要波形如圖2所示。

　　  

 

　　圖2 移相全橋ZVS DC/DC主電路主要波形

　　圖2中UAB表示變壓器原邊電壓，ip表示變壓器原邊電流，U2表示變壓器次級電壓。

　　由各開關器件的控制信號波形可以看出，每個橋臂的兩個開關互為180°互補導通，左橋臂的兩個開關(Q1和Q2)的導通相位分別比右橋臂的功率開關(Q4和Q3)提前了一個相位，所以左橋臂為超前臂，右橋臂為滯後臂。

　　2 變換器移相控制系統設計

　　2.1 移相控制系統的硬體控制

　　控制系統採用英飛凌公司的32位微控制器XMC4500作為主控晶片。圖3為該變換器控制系統的結構框圖，採用雙閉環控制策略，對輸出電壓Vo進行閉環控制。電壓外環和電流內環均採用PI調節運算，最終電流內環的調節結果作為有效的佔空比信號，通過CCU8單元產生PWM移相控制信號。隔離驅動電路產生驅動信號來控制逆變電路開關管的導通與關斷，使變換器輸出電壓,達到所需要求。控制系統的主要功能模塊包括:

　　① CCU8單元：PWM 移相控制脈衝的產生;

　　② ADC單元：模擬信號的數字轉換;

　　③ I/O口：狀態判斷與復位控制等;

　　④ CAN通信單元：與整車進行通信。

　　  

 

　　圖3 移相全橋轉換器控制流程圖

　　數字DC/DC 變換器系統採用經典的雙閉環控制算法，包括電壓外環和電流內環，如圖4所示。

　　  

 

　　圖4 雙閉環控制原理框圖

　　雙閉環控制的原理是[4]：外環電壓與參考電壓比較後，經過PI運算，將運算結果作為電流內環的參考值，採樣獲得的電流與該參考值比較後，經過PI調節運算後，將運算結果與三角波比較，產生驅動信號驅動逆變橋。

　　2.2 移相控制系統的軟體控制

　　數字控制器程序流程包括4 部分: 主程序、電壓環和電流環PI計算CCU8周期重載中斷和外部故障處理。主程序完成ADC、CCU8等模塊的初始化工作，然後進入一個循環，等待中斷發生。

　　系統中斷響應包括A/D轉換採樣中斷(進行電壓環PI 計算、電流環PI計算)、CCU8單元重載中斷，以及CAN通信中斷3個中斷源， 並規定它們的優先級從高到低依次為CCU8周期重載中斷、A/D採樣中斷、CAN通信中斷。

　　外部故障處理主要包括過壓檢測、過流檢測以及過溫保護，當ADC採樣到的這些值超過限定值時產生中斷，並使I/O埠置低或置高響應的電平，從而使系統停止工作，起到故障保護的作用。

　　3 XMC4500全橋移相控制的實現

　　數位化控制可以實現模擬控制難以做到的複雜控制算法，使系統的硬體兼容性更好。藉助英飛凌XMC4500系列MCU的高速運算性能和豐富集成外設資源，就能成功地將數位訊號控制引入到高頻DC/DC變換器中，完成同步整流移相全橋DC/DC變換器的數字控制應用，並取得良好的控制效果。

　　3.1 CCU8單元移相PWM的產生

　　ZVS全橋變換器移相控制需要4 路獨立的驅動信號，並滿足以下條件[5]:

　　① 同一橋臂上下兩管的驅動波形呈180°互補;

　　② 4 路驅動信號的佔空比D大小固定，在忽略死區時間影響條件下取D=0.5;

　　③ 對角超前橋臂功率管的驅動信號領先滯後橋臂功率管一個移相角0°，其範圍為0°~180°，並根據系統閉環調節結果進行動態調整。

　　XMC4500的CCU8定時器單元內部具有4個獨立的PWM發生器( PWM1~PWM4)，每個PWM發生器可產生兩路互補的PWM波形。CCU8模塊的PWM發生器具有獨特的非對稱PWM 輸出模式，每個PWM發生器具有兩個可編程比較寄存器，即當PWM 工作在互補中心對齊模式時，PWM佔空比可在半周期獨立設置。PWM 的計數方向決定PWM 模寄存器的選擇，如在增量計數時選擇奇數模寄存器有效，在減量計數時選擇偶數模寄存器有效，由此即可完成非對稱PWM 輸出的獨特功能。

　　每一個CCU88 定時器單元提供兩個獨立的8 位死區時間計數器，可以在兩個比較通道中上升和下降沿產生獨立的死區時間值，可以在功率級應用上用於短路保護，死區時間可以通過相應的寄存器由軟體設置。

　　相關映射寄存器會根據下列事件進行映射傳送比較寄存器重載，改變PWM發生器的比較值：

　　① 增量計數時，周期匹配後的下一個時鐘周期內;

　　② 減量計數時，匹配後的下一個時鐘周期內;

　　③ 定時器停止或傳送請求被觸發時立刻發生。

　　這意味著當周期匹配事件時，在映射傳送事件發生之前最後一個時鐘周期內的短暫時間內使用周期匹配中斷服務，仍來得及設置轉移使能請求，通常使用比較事件中斷實現。然而，即使當一個比較寄存器的值等於周期寄存器值時，仍能準確地設置傳送使能請求。換句話說：整個定時器周期可以用於設置傳送使能位。

　　在本文所論述的電源系統中，PWM1產生兩路互補通道，驅動超前橋臂; PWM2產生兩路互補通道，驅動滯後橋臂，條件①即得到滿足。要實現條件②、③的功能，PWM發生器需要配置為中心對齊的非對稱PWM輸出模式。採用這種輸出模式，計數寄存器中的計數值增量計數到達奇數模寄存器設定值Value1時，PWM輸出信號由低變高;當計數寄存器計數到計數周期寄存器值後變為減量計數、減到偶數模寄存器設定值Value2後，輸出再次翻轉，由高變低。根據PWM 產生方法可知，當比較寄存器值確定後，即確定了對應的PWM正脈寬大小以及兩對PWM之間移相角的大小，即：

　　正脈寬=2Th-PWMx_Value2-PWMx_Value1

　　移相角=PWM2_Value1-PWM1_Value1

　　其中，Th為PWM波半周期對應的計數值;x取值為1或2。

　　要保持輸出佔空比大小不變，需要使同一PWM發生器的Value2 跟隨Value1變化，即保持2Th-PWMx_Value2-PWMx_Value1為常數。同時，改變不同PWM發生器之間Value1的值，即可改變兩對PWM波之間的相位差。

　　根據XMC4500的CCU8定時器單元的工作機理，便可以將雙閉環控制採用PI調節運算的結果PI_result經過歸一化處理後，作為CCU8單元比較寄存器比較值的改變量，從而使滯後臂的PWM信號產生相應的移相角。CCU8單元具體的移相PWM控制方式如圖5所示。

　　  

 

　　圖5 CCU8定時器單元移相PWM波形示例

　　3.2 A/D轉換單元

　　XMC4500提供了一系列連接到一個A/D轉換器集群的模擬輸入通道，這些A/D轉換器採用逐次逼近寄存器(SAR)原理將模擬值(電壓)轉換為離散數字值。

　　A/D轉換器集群裡的每個轉換器都可以獨立於其他轉換器單獨工作，每個轉換器都有一組專用的寄存器控制，並由一組專用的請求源觸發。這些基本結構支持面向應用的編程和操作，並提供對所有資源的訪問，所有轉換器組幾乎完全相同，支持靈活的通道分配功能。

　　在XMC4500 中， ADC具有多種啟動方式， 既可以用軟體直接激活相應的轉換請求源，又可利用外部事件同步激活請求源，例如用定時器產生的PWM信號或者來自埠引腳的信號作為觸發脈衝。

　　通過軟體設定可將ADC 採樣時刻與PWM中心時刻調整成精確同步，即在每次CCU8單元匹配中斷中採用軟體同步啟動ADC。對於不同的佔空比輸出情況，此時功率器件的開關狀態均已完成， ADC 採樣也就能有效避免功率開關幹擾，從而真實反映模擬採樣結果。

　　對於一般的微控制晶片內部ADC功能模塊，中斷響應比較單一，只能在全部採樣結束後產生一個中斷響應。在XMC4500的ADC 模塊裡，除了採樣結束中斷外，每路A/D 轉換通道均提供了多種硬體中斷響應，即每路A/D轉換通道根據實時採樣結果自動產生上限溢出中斷、過零中斷和下限溢出中斷。這一特性對於電力電子應用也很有幫助，例如對於電感電流的採樣，如果將最大允許電感電流或輸入電壓定義成通道採樣的門限值，即可自動完成電感電流的過流保護和輸入電壓的過壓保護。所有這些功能均由單片機內部硬體自動完成，並不需要任何額外的軟硬體開銷，這對於高頻應用尤為重要。

　　4 實驗結果

　　為了驗證採用XMC4500進行數字控制的可行性，試製了一臺移相全橋ZVS DC/DC轉換器樣機，外接XMC4500的最小系統對轉換器進行控制。該轉換器可實現160~350 V的直流電壓輸入，14 V電壓輸出，功率為2.7 kw，工作頻率為100 kHz，閉環控制採用經典的PI控制。最終的實驗結果表明，XMC4500可以實現移相PWM控制信號輸出，且可以使輸出電壓很好的穩定在14 V，具有良好的穩態特性。