王育浦

（北京理工大學(xué)電動(dòng)車輛國(guó)家工程實(shí)驗(yàn)室，北京100081）

英飛凌XMC4500控制的移相全橋ZVS DC/DC變換器

王育浦

（北京理工大學(xué)電動(dòng)車輛國(guó)家工程實(shí)驗(yàn)室，北京100081）

移相全橋變換器移相PWM信號(hào)的產(chǎn)生方式主要有模擬電路控制和數(shù)字電路控制兩種。首先分析了數(shù)字控制與模擬控制對(duì)系統(tǒng)整體性能的影響；然后簡(jiǎn)要介紹了移相全橋DC/DC變換器PWM信號(hào)的特點(diǎn)，并提出了以XMC4500為基礎(chǔ)的數(shù)字控制方案的硬件設(shè)計(jì)和雙閉環(huán)控制流程；最后詳細(xì)介紹了數(shù)字控制的具體實(shí)現(xiàn)過程，并通過樣機(jī)試驗(yàn)證明了數(shù)字化控制的可行性。

移相全橋；DC/DC變換器；數(shù)字化控制；非對(duì)稱比較

引言

ZVS（Zero-Voltage-Switching，移相全橋）DC/DC轉(zhuǎn)換器是一款適用于中大功率場(chǎng)合的直流轉(zhuǎn)換器，它可充分利用功率器件的寄生參數(shù)和諧振電感實(shí)現(xiàn)功率開關(guān)的零電壓導(dǎo)通，降低開關(guān)管的導(dǎo)通損耗，減小了系統(tǒng)的體積和重量［1］，提高了開關(guān)管的開關(guān)頻率和系統(tǒng)的轉(zhuǎn)換效率。

實(shí)現(xiàn)全橋變換器的移相PWM控制的方法很多，傳統(tǒng)的控制方法可利用集成控制芯片搭建模擬控制電路來實(shí)現(xiàn)反饋調(diào)節(jié)，產(chǎn)生具有一定相位差的PWM控制波形。隨著數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)的快速發(fā)展，各種微控制器的性價(jià)比不斷提高，數(shù)字控制已經(jīng)成為了大中功率開關(guān)電源的發(fā)展趨勢(shì)。與模擬控制相比，數(shù)字控制可以完成復(fù)雜的控制算法，且不存在溫漂，避免了模擬信號(hào)的畸變失真，減小雜散信號(hào)的干擾，并且可以實(shí)現(xiàn)通信和網(wǎng)絡(luò)控制的功能，使控制系統(tǒng)具有更好的穩(wěn)定性和更強(qiáng)的靈活性［2］。數(shù)字控制的這些優(yōu)點(diǎn)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(shè)備。

本文針對(duì)工程中廣泛應(yīng)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系列控制芯片，將數(shù)字控制成功引入到高頻DC/DC變換器應(yīng)用場(chǎng)合，不僅實(shí)現(xiàn)了模擬控制的全部功能，而且具備了數(shù)字系統(tǒng)所特有的高性能、控制靈活等優(yōu)點(diǎn)。

1 移相全橋ZVS DC/DC變換器主電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

移相全橋ZVS DC/DC轉(zhuǎn)換器的電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 移相全橋ZVS DC/DC拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

在變壓器的原邊電路中，采用的是全橋逆變電路。Q1～Q4為IGBT或MOSFET功率開關(guān)器件，D1～D4分別為Q1～Q4的寄生二極管，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，采用的是全橋整流電路。因?yàn)樵撧D(zhuǎn)換器的輸出電流很大，若使用整流二極管，會(huì)產(chǎn)生很大的功耗。由于功率MOSFET的通態(tài)電阻很小，可以達(dá)到幾mΩ，因此可使用低壓大電流的MOSFET替代傳統(tǒng)DCDC轉(zhuǎn)換器中的續(xù)流二極管或整流二極管，降低功耗，提高電源的轉(zhuǎn)換效率。功率MOSFET屬于電壓控制型器件，用功率MOSFET做整流器時(shí)，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(zhuǎn)換器本質(zhì)上是一種PWM控制方式，但與傳統(tǒng)的PWM控制又有很大的區(qū)別：每一橋臂上的兩個(gè)功率開關(guān)相差180°互補(bǔ)導(dǎo)通；其中一個(gè)橋臂上兩個(gè)功率開關(guān)的導(dǎo)通角分別以一定的相位滯后于另一橋臂上所對(duì)應(yīng)的功率開關(guān)。也就是說，逆變橋四個(gè)開關(guān)管本身的占空比沒有改變，而是通過調(diào)整相應(yīng)開關(guān)管的相位差，來實(shí)現(xiàn)變壓器原邊電壓占空比的改變，即所謂的移相控制方式。

在一個(gè)開關(guān)周期中，移相全橋ZVS DC/DC轉(zhuǎn)換器有12種開關(guān)狀態(tài)［4］，采用移相全橋ZVS控制方式，可充分利用功率開關(guān)器件的寄生電容或外接電容來實(shí)現(xiàn)開關(guān)管的零電壓導(dǎo)通，電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)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(jí)電壓。

由各開關(guān)器件的控制信號(hào)波形可以看出，每個(gè)橋臂的兩個(gè)開關(guān)互為180°互補(bǔ)導(dǎo)通，左橋臂的兩個(gè)開關(guān)（Q1和Q2）的導(dǎo)通相位分別比右橋臂的功率開關(guān)（Q4和Q3）提前了一個(gè)相位，所以左橋臂為超前臂，右橋臂為滯后臂。

2 變換器移相控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 移相控制系統(tǒng)的硬件控制

控制系統(tǒng)采用英飛凌公司的32位微控制器XMC4500作為主控芯片。圖3為該變換器控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖，采用雙閉環(huán)控制策略，對(duì)輸出電壓Vo進(jìn)行閉環(huán)控制。電壓外環(huán)和電流內(nèi)環(huán)均采用PI調(diào)節(jié)運(yùn)算，最終電流內(nèi)環(huán)的調(diào)節(jié)結(jié)果作為有效的占空比信號(hào)，通過CCU8單元產(chǎn)生PWM移相控制信號(hào)。隔離驅(qū)動(dòng)電路產(chǎn)生驅(qū)動(dòng)信號(hào)來控制逆變電路開關(guān)管的導(dǎo)通與關(guān)斷，使變換器輸出電壓，達(dá)到所需要求?？刂葡到y(tǒng)的主要功能模塊包括：

①CCU8單元：PWM移相控制脈沖的產(chǎn)生；

②ADC單元：模擬信號(hào)的數(shù)字轉(zhuǎn)換；

③I/O口：狀態(tài)判斷與復(fù)位控制等；

④CAN通信單元：與整車進(jìn)行通信。

圖3 移相全橋轉(zhuǎn)換器控制流程圖

數(shù)字DC/DC變換器系統(tǒng)采用經(jīng)典的雙閉環(huán)控制算法，包括電壓外環(huán)和電流內(nèi)環(huán)，如圖4所示。

圖4 雙閉環(huán)控制原理框圖

雙閉環(huán)控制的原理是［4］：外環(huán)電壓與參考電壓比較后，經(jīng)過PI運(yùn)算，將運(yùn)算結(jié)果作為電流內(nèi)環(huán)的參考值，采樣獲得的電流與該參考值比較后，經(jīng)過PI調(diào)節(jié)運(yùn)算后，將運(yùn)算結(jié)果與三角波比較，產(chǎn)生驅(qū)動(dòng)信號(hào)驅(qū)動(dòng)逆變橋。

2.2 移相控制系統(tǒng)的軟件控制

數(shù)字控制器程序流程包括4部分：主程序、電壓環(huán)和電流環(huán)PI計(jì)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，然后進(jìn)入一個(gè)循環(huán)，等待中斷發(fā)生。

系統(tǒng)中斷響應(yīng)包括A/D轉(zhuǎn)換采樣中斷（進(jìn)行電壓環(huán)PI計(jì)算、電流環(huán)PI計(jì)算）、CCU8單元重載中斷，以及CAN通信中斷3個(gè)中斷源，并規(guī)定它們的優(yōu)先級(jí)從高到低依次為CCU8周期重載中斷、A/D采樣中斷、CAN通信中斷。

外部故障處理主要包括過壓檢測(cè)、過流檢測(cè)以及過溫保護(hù)，當(dāng)ADC采樣到的這些值超過限定值時(shí)產(chǎn)生中斷，并使I/O端口置低或置高響應(yīng)的電平，從而使系統(tǒng)停止工作，起到故障保護(hù)的作用。

3 XMC4500全橋移相控制的實(shí)現(xiàn)

數(shù)字化控制可以實(shí)現(xiàn)模擬控制難以做到的復(fù)雜控制算法，使系統(tǒng)的硬件兼容性更好。借助英飛凌XMC4500系列MCU的高速運(yùn)算性能和豐富集成外設(shè)資源，就能成功地將數(shù)字信號(hào)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(shù)字控制應(yīng)用，并取得良好的控制效果。

3.1 CCU8單元移相PWM的產(chǎn)生

ZVS全橋變換器移相控制需要4路獨(dú)立的驅(qū)動(dòng)信號(hào)，并滿足以下條件［5］：

①同一橋臂上下兩管的驅(qū)動(dòng)波形呈180°互補(bǔ)；

②4路驅(qū)動(dòng)信號(hào)的占空比D大小固定，在忽略死區(qū)時(shí)間影響條件下取D=0.5；

③對(duì)角超前橋臂功率管的驅(qū)動(dòng)信號(hào)領(lǐng)先滯后橋臂功率管一個(gè)移相角0°，其范圍為0°～180°，并根據(jù)系統(tǒng)閉環(huán)調(diào)節(jié)結(jié)果進(jìn)行動(dòng)態(tài)調(diào)整。

XMC4500的CCU8定時(shí)器單元內(nèi)部具有4個(gè)獨(dú)立的PWM發(fā)生器（PWM1～PWM4），每個(gè)PWM發(fā)生器可產(chǎn)生兩路互補(bǔ)的PWM波形。CCU8模塊的PWM發(fā)生器具有獨(dú)特的非對(duì)稱PWM輸出模式，每個(gè)PWM發(fā)生器具有兩個(gè)可編程比較寄存器，即當(dāng)PWM工作在互補(bǔ)中心對(duì)齊模式時(shí)，PWM占空比可在半周期獨(dú)立設(shè)置。PWM的計(jì)數(shù)方向決定PWM模寄存器的選擇，如在增量計(jì)數(shù)時(shí)選擇奇數(shù)模寄存器有效，在減量計(jì)數(shù)時(shí)選擇偶數(shù)模寄存器有效，由此即可完成非對(duì)稱PWM輸出的獨(dú)特功能。

每一個(gè)CCU88定時(shí)器單元提供兩個(gè)獨(dú)立的8位死區(qū)時(shí)間計(jì)數(shù)器，可以在兩個(gè)比較通道中上升和下降沿產(chǎn)生獨(dú)立的死區(qū)時(shí)間值，可以在功率級(jí)應(yīng)用上用于短路保護(hù)，死區(qū)時(shí)間可以通過相應(yīng)的寄存器由軟件設(shè)置。

相關(guān)映射寄存器會(huì)根據(jù)下列事件進(jìn)行映射傳送比較寄存器重載，改變PWM發(fā)生器的比較值：

①增量計(jì)數(shù)時(shí)，周期匹配后的下一個(gè)時(shí)鐘周期內(nèi)；

②減量計(jì)數(shù)時(shí)，匹配后的下一個(gè)時(shí)鐘周期內(nèi)；

③定時(shí)器停止或傳送請(qǐng)求被觸發(fā)時(shí)立刻發(fā)生。

這意味著當(dāng)周期匹配事件時(shí)，在映射傳送事件發(fā)生之前最后一個(gè)時(shí)鐘周期內(nèi)的短暫時(shí)間內(nèi)使用周期匹配中斷服務(wù)，仍來得及設(shè)置轉(zhuǎn)移使能請(qǐng)求，通常使用比較事件中斷實(shí)現(xiàn)。然而，即使當(dāng)一個(gè)比較寄存器的值等于周期寄存器值時(shí)，仍能準(zhǔn)確地設(shè)置傳送使能請(qǐng)求。換句話說：整個(gè)定時(shí)器周期可以用于設(shè)置傳送使能位。

在本文所論述的電源系統(tǒng)中，PWM1產(chǎn)生兩路互補(bǔ)通道，驅(qū)動(dòng)超前橋臂；PWM2產(chǎn)生兩路互補(bǔ)通道，驅(qū)動(dòng)滯后橋臂，條件①即得到滿足。要實(shí)現(xiàn)條件②、③的功能，PWM發(fā)生器需要配置為中心對(duì)齊的非對(duì)稱PWM輸出模式。采用這種輸出模式，計(jì)數(shù)寄存器中的計(jì)數(shù)值增量計(jì)數(shù)到達(dá)奇數(shù)模寄存器設(shè)定值Value1時(shí)，PWM輸出信號(hào)由低變高；當(dāng)計(jì)數(shù)寄存器計(jì)數(shù)到計(jì)數(shù)周期寄存器值后變?yōu)闇p量計(jì)數(shù)、減到偶數(shù)模寄存器設(shè)定值Value2后，輸出再次翻轉(zhuǎn)，由高變低。根據(jù)PWM產(chǎn)生方法可知，當(dāng)比較寄存器值確定后，即確定了對(duì)應(yīng)的PWM正脈寬大小以及兩對(duì)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(duì)應(yīng)的計(jì)數(shù)值；x取值為1 或2。

要保持輸出占空比大小不變，需要使同一PWM發(fā)生器的Value2跟隨Value1變化，即保持2Th-PWMx_Value2-PWMx_Value1為常數(shù)。同時(shí)，改變不同PWM發(fā)生器之間Value1的值，即可改變兩對(duì)PWM波之間的相位差。

根據(jù)XMC4500的CCU8定時(shí)器單元的工作機(jī)理，便可以將雙閉環(huán)控制采用PI調(diào)節(jié)運(yùn)算的結(jié)果PI_result經(jīng)過歸一化處理后，作為CCU8單元比較寄存器比較值的改變量，從而使滯后臂的PWM信號(hào)產(chǎn)生相應(yīng)的移相角。CCU8單元具體的移相PWM控制方式如圖5所示。

3.2 A/D轉(zhuǎn)換單元

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

A/D轉(zhuǎn)換器集群里的每個(gè)轉(zhuǎn)換器都可以獨(dú)立于其他轉(zhuǎn)換器單獨(dú)工作，每個(gè)轉(zhuǎn)換器都有一組專用的寄存器控制，并由一組專用的請(qǐng)求源觸發(fā)。這些基本結(jié)構(gòu)支持面向應(yīng)用的編程和操作，并提供對(duì)所有資源的訪問，所有轉(zhuǎn)換器組幾乎完全相同，支持靈活的通道分配功能。

圖5 CCU8定時(shí)器單元移相PWM波形示例

在XMC4500中，ADC具有多種啟動(dòng)方式，既可以用軟件直接激活相應(yīng)的轉(zhuǎn)換請(qǐng)求源，又可利用外部事件同步激活請(qǐng)求源，例如用定時(shí)器產(chǎn)生的PWM信號(hào)或者來自端口引腳的信號(hào)作為觸發(fā)脈沖。

通過軟件設(shè)定可將ADC采樣時(shí)刻與PWM中心時(shí)刻調(diào)整成精確同步，即在每次CCU8單元匹配中斷中采用軟件同步啟動(dòng)ADC。對(duì)于不同的占空比輸出情況，此時(shí)功率器件的開關(guān)狀態(tài)均已完成，ADC采樣也就能有效避免功率開關(guān)干擾，從而真實(shí)反映模擬采樣結(jié)果。

對(duì)于一般的微控制芯片內(nèi)部ADC功能模塊，中斷響應(yīng)比較單一，只能在全部采樣結(jié)束后產(chǎn)生一個(gè)中斷響應(yīng)。在XMC4500的ADC模塊里，除了采樣結(jié)束中斷外，每路A/D轉(zhuǎn)換通道均提供了多種硬件中斷響應(yīng)，即每路A/D轉(zhuǎn)換通道根據(jù)實(shí)時(shí)采樣結(jié)果自動(dòng)產(chǎn)生上限溢出中斷、過零中斷和下限溢出中斷。這一特性對(duì)于電力電子應(yīng)用也很有幫助，例如對(duì)于電感電流的采樣，如果將最大允許電感電流或輸入電壓定義成通道采樣的門限值，即可自動(dòng)完成電感電流的過流保護(hù)和輸入電壓的過壓保護(hù)。所有這些功能均由單片機(jī)內(nèi)部硬件自動(dòng)完成，并不需要任何額外的軟硬件開銷，這對(duì)于高頻應(yīng)用尤為重要。

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

為了驗(yàn)證采用XMC4500進(jìn)行數(shù)字控制的可行性，試制了一臺(tái)移相全橋 ZVS DC/DC轉(zhuǎn)換器樣機(jī)，外接XMC4500的最小系統(tǒng)對(duì)轉(zhuǎn)換器進(jìn)行控制。該轉(zhuǎn)換器可實(shí)現(xiàn)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(huán)控制采用經(jīng)典的PI控制。最終的實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，XMC4500可以實(shí)現(xiàn)移相PWM控制信號(hào)輸出，且可以使輸出電壓很好的穩(wěn)定在14 V，具有良好的穩(wěn)態(tài)特性。

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［3］黃漢生，闞玉紅.同步整流技術(shù)及其應(yīng)用［J］.電源世界，2006（4）：1-7.

［4］劉勝利，嚴(yán)仰光.軟開關(guān)移相控制全橋變換器一周期十二個(gè)工作過程的詳細(xì)分析［C］//第十三屆全國(guó)電源技術(shù)年會(huì)論文集，1999：118-127.

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Control of Phase-shift Full-bridge ZVS DC/DC Converter Based on Infineon XMC4500

Wang Yupu

（National Engineering Laboratory for Electric Vehicles，Beijing Institute of Technology，Beijing 100081，China）

There are two ways to generate PWM signal of phase-shifted full-bridge converter which are analog circuit and digital circuit.Firstly，the paper analyzes the performance advantages of the digital and analog control，then introduces the characteristics of PWM signal of phase-shift full-bridge DC/DC converter，and the scheme of hardware design and control flow of double closed-loop are put forward on the basis of XMC4500.Finally the implementation process of digital control is introduced in detail.The results of prototype experiment prove that the digital control design is feasible.

phase-shift full-bridge；DC/DC converter；digital control；asymmetrical comparison

TP212

A

楊迪娜

2014-12-17）