基於DSP控制的數字式雙向DC/DC變換器的實現

2020-11-25 電子產品世界

摘要：總結了電力電子領域數字控制的發展歷程，並對其現狀和前景作了分析。基於對全橋隔離型的雙向DC/DC變換器工作原理的分析，從簡化硬體電路的角度出發，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體實現，電壓可調性和穩壓輸出都得到滿足。同時也由軟體實現電路的雙向運行，對蓄電池可以進行恆流充電。

本文引用地址：http://www.eepw.com.cn/article/151010.htm

關鍵詞：雙向DC/DC變換器；數位訊號處理器；數字脈寬調製（DPWM）

　

　

0 引言

數位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。

隨著數位訊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，諸如便於計算機的處理和控制；避免模擬信號的傳遞畸變和失真；減少雜散信號的幹擾；便於自診斷，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，隨著數位化技術的發展，計算機已經被應用於控制電路。專用於PWM變換器的數字控制器由於其功耗低，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，並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，可攜式電子裝備等等。

數字控制的電力電子裝置以數字控制器代替模擬硬體電路進行PWM控制，通過開關的快速切換實現電量的變換。以佔空比量化為基礎的數字功率變換器的數字控制，相對於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，若設定其採樣頻率等於功率變換器的採樣頻率，量化佔空比數字控制器可以工作在任何開關頻率，而不須再補償。通過對權係數的修改，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。

本文基於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，從簡化硬體電路的角度出發，將控制功能全部集中起來由軟體實現，試驗中電壓可調性和穩壓輸出都得到滿足。同時，也由軟體實現電路的雙向運行，對蓄電池可以進行恆流充電。試驗所採用的數字控制器是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。

數字脈寬調製（DPWM）雙向DC/DC變換器的基本結構如圖1所示。本文採用全橋隔離型雙向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（典型的是採樣輸出電壓Vout）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製。

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

滿調製時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，那麼副邊的輸出電壓為nVin，這是滿調製時的輸出，此時副邊通過主開關反並二極體來整流，即為不控整流。原邊的開關作用相當於把輸入信號調製為交流的方波信號，副邊二極體則把該信號解調為直流電壓輸出，此時不存在脈寬的空缺，同時封鎖副邊脈衝。變壓器原邊輸入信號vab如圖3（b）所示，由於S1及S4和S2及S3的脈寬均為T/2(T為開關周期)，vab正半波和負半波經歷時間均為T/2(即π），vab經過副邊整流之後可得到最大的輸出電壓。

（a）原邊門極控制脈衝波形

（b）vab波形

（c）移相控制門極脈衝波形

脈寬調製相關文章:脈寬調製原理 數字濾波器相關文章:數字濾波器原理

相關焦點

  • 雙向dc-dc變換器是什麼 雙向dcdc變換器原理
    打開APP 雙向dc-dc變換器是什麼 雙向dcdc變換器原理 周碧俊 發表於 2018-08-20 14:26:48 雙向直流變換器 雙向DC-DC變換器是實現直流電能雙向流動的裝置，主要應用於混合動力汽車和直流不間斷供電系統等 雙向直流變換器採用經典BUCK/BOOST電路拓撲，具備升降壓雙向變換功能，即升降壓斬波電路。
  • 基於BOOST型DC/DC轉換器的斜坡補償電路
    基於此，利用斜坡補償技術，提出一種基於BOOST型DC-DC變換器的斜坡補償電路，用以解決系統不穩定的問題。該電路結構簡單，實現方便，提高了系統的穩定性。1.2 整體電路環路結構 參考文獻[4]指出，峰值電流控制模式的DC-DC變換器具有動態響應快、輸出電壓穩定等許多優點。因此採用峰值電流控制模式的DC-DC變換器[5]，如圖2所示。
  • 基於新能源汽車用高低壓隔離雙向DC-DC變換器
    基於移相全橋拓撲，通過數字DSP晶片控制實現高低壓電源能量的雙向傳遞，較傳統新能源汽車DC-DC成本無增加基礎上新增應急電源、高壓迴路預充電、多餘電能轉換高壓迴路再利用等功能，該方案降低了系統成本、提升整車續航且大大提升新能源汽車的安全性、維護便捷性和可靠性。
  • 電流模式控制倍流整流器ZVS PWM全橋DC-DC變換器的研究
    /和寄生電容之間的諧振來實現零電壓軟開關，由於超前橋臂和滯後橋臂實現零電壓軟開關ZVS的條件不盡相同，導致了滯後橋臂實現零電壓軟開關ZVS的難度比超前橋臂要大得多；輸出整流二極體換流時關斷的二極體反向恢復會引起次級較大的電壓尖峰；並且還存在較為嚴重的副邊佔空比丟失的情況。
  • INAMICS DCP 雙向直流變換器工作原理
    打開APP INAMICS DCP 雙向直流變換器工作原理 周碧俊 發表於 2018-08-20 14:56:21 SINAMICS
  • 一種低壓DC-DC升壓電路的實現
    針對某些特殊場合下需要的低壓直流輸入、高壓直流輸出供電設備， 提出了一種採用雙端推挽變化原理實現的低壓DC-DC 升壓變換的電路， 並給出了具體的方案和電路設計。對具體電路元器件的選型， 電路參數的計算， 電路的可靠性分析及對其性能指標都進行了優化設計。
  • 高頻開關電源中隔離降壓式DC/DC變換器的製作方法
    為此，本文將對高頻開關電源變壓器的設計，特別是正激變換器中變壓器的設計，給出詳細的分析，並設計出一個用於輸入48V(36～72V)，輸出2.2V、20A的正激變換器的高頻開關電源變壓器。2正激變換器中變壓器的製作方法正激變換器是最簡單的隔離降壓式DC/DC變換器，其輸出端的LC濾波器非常適合輸出大電流，可以有效抑制輸出電壓紋波。
  • LLC諧振變換器的軌跡控制研究
    編者按：　　摘要：針對LLC諧振變換器諧振槽有多個諧振元件、工作過程複雜、難以對其實現有效控制的問題,本文提出了一種最優軌跡控制方法，根據變換器的具體諧振過程，給出了其多諧振過程的時域方程，並以此推導出其軌跡方程，繪製了其狀態軌跡圖，給出了詳細的控制法則。
  • 移相全橋DC/DC變換器雙閉環控制系統設計
    摘要：提出移相全橋DC／DC變換器閉環系統設計方案，基於PWM控制器件UCC3895設計一個關鍵詞：移相全橋；DC／DC變換器；UCC3895：閉環系統本文引用地址：http://www.eepw.com.cn/article/163169.htm 隨著我國電源行業的發展，在中大功率應用場合，採用PWM控制技術的移相全橋DC／DC變換器越來越受到人們的關注，隨著PWM控制技術逐漸向高頻化方向發展
  • 單級BUCK-BOOST變換器實現APFC的原理及分析
    近年來國內外許多文章對單級PFC做了大量研究，提出了很多實現方案。單級PFC可以採用BUCK-BOOST電路來實現，同時採用反激變換器（flyback conventer）隔離。APFC的原理BUCK-BOOST變換器是升降壓型電路，它使得輸入端電壓不必低於Vc，同時易於實現反激變換（flyback converter）。
  • 基於變下垂係數調節的直流母線電壓穩定性控制
    文獻[2]指出直流配電網的控制策略主要有主從控制和下垂控制方式，文獻[3]分析了傳統下垂控制存在的固有局限性，並對不同的改進下垂控制進行了系統的分類和技術分析。文獻[4]分析了與傳統下垂控制不同的帶死區下垂控制方式，當在死區內時，變流器可以實現無差調節，實現在一定範圍內的電壓-功率無差調節，在一定程度上改進常規下垂控制的特性。
  • DC-DC變換器原理解析
    系統採用電壓閉環控制方式，調節器採用變參數數字PI算法，實現了模擬系統難以實現的複雜算法和方便靈活的移相控制方案。通過一臺2 kW樣機進行了實驗，實驗系統的開關頻率為2 kHz。作為一種具有優良性能的移相全橋變換器，其兩個橋臂的開關管均在零電壓軟開關條件下運行，開關損耗小，結構簡單，順應了直流電源小型化、高頻化的發展趨勢，因此在中大功率DCDC變換場合得到了廣泛應用，而系統數位化控制可進一步提高系統的可靠性。數位化系統具備完整的可編程能力，它使程序修改、算法升級、功能移植都非常容易，相對於模擬控制方式具有明顯的優勢。DCDC變換器的數位化控制是當前的研究熱點之一。
  • DC-DC buck變換器的混沌現象分析及其控制
    Aroudi等人系統闡述了DC—DC開關功率變換器非線性動力學行為及建模方法的研究進展，並研究了DC—DC開關功率變換器的分岔現象及其控制;張波則在對DC—DC功率變換器非線性現象的基本類型進行分析和綜合的基礎上，指出了DC—DC開關功率變換器混沌研究的發展方向以及未來的應用前景。眾所周知，在實際應用中，通常要求DC—DC開關功率變換器工作在穩定的周期1狀態。
  • 基於Buck-Boost電路的寬輸出電壓AC-DC電源設計
    而現有的AC-DC開關電源只能輸出幾個特定電壓值，如：220 VAC-15 VDC／12 VDC／5 VDC等，不能實現輸出電壓在較大範圍內的調節。這大大限定了開關電源的應用。 本文介紹的PWM脈衝調節電路選用晶片UC3842。它是美國Unitrode公司生產的一種高性能單端輸出式電流控制型脈寬調製器晶片，工怍環境溫度在-50～150℃之間，具備優良的脈寬調製特性。
  • 基於單片機控制的DC-DC變換電路
    通過對DC-DC直流轉換器輸出電流進行監測，通過鍵盤輸入輸出電流設定信號，通過單片機輸出PWM信號與LM358比較器形成比較電壓，電流反饋閉環電路，從而對LM2596晶片進行控制，控制buck電路的接通關斷，以保證DC-DC的變換。升壓部分直接由LM2577電路控制穩壓其結構圖如圖1所示。
  • 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。
  • 燃料電池車載大功率DC/DC變換器的設計與應用
    如何有效地控制變換器的各個參數，不僅關係到FCE（Fuel Cell Engineer）和BMU（Battery Management Unit）的正常運行，而且也關係到整個燃料電池轎車的動力性能、能源利用效率及其他控制系統可靠的運行[3]。燃料電池的輸出特性偏軟，難以直接與電動機驅動器匹配，其電流-電壓特性曲線如圖1所示。
  • 基於MOSFET控制的PWM型直流可調電源的研製
    採用MOSFET 控制的開關電源具有體積小、重量輕、效率高、成本低的優勢，因此，較適合作儀器電源。本文給出了一種由MOSFET 控制的大範圍連續可調(0～45V) 的小功率穩壓電源設計實例。　　總體結構與主電路　　圖1 為該電源的總體結構框圖。
  • 基於DSP器件和PLD邏輯器件實現矩陣變換器系統的設計
    基於DSP器件和PLD邏輯器件實現矩陣變換器系統的設計 王勇,呂徵宇,汪槱 發表於 2020-12-03 09:58:36 1 引言 矩陣式變換器是一種具有優良的輸入輸出特性的新型交
  • DC-DC變換器非線性混沌現象研究
    通過對各種DC－DC變換器的混沌現象探索和研究，可以達到如下重要的目的：（1）在變換器設計中優化參數設計，避免有害混沌現象的出現，消除奇異或不規則現象，使DC－DC變換器穩定運行；（2）由於混沌運動中存在很多不穩定的周期軌道，可以採用混沌控制技術，控制DC－DC變換器工作在預期的周期軌道上，從而實現周期軌道的快速變換，使DC－DC變換器的工作性能超常規的提高