姜婷婷，周松林

（銅陵學(xué)院 電氣工程學(xué)院，安徽 銅陵 244061）

在中大功率DC/DC變換器中一般采用全橋變換的電路結(jié)構(gòu)[1-3]，移相PWM控制方式因?yàn)榫哂泻芏嗟膬?yōu)良性能而應(yīng)用得十分普遍，在零電壓或零電流的條件下導(dǎo)通或關(guān)斷的功率器件，由于采用了軟開(kāi)關(guān)技術(shù)可以大大降低開(kāi)關(guān)管的損耗.在控制策略方面，常規(guī)PID電壓型控制通過(guò)測(cè)量變換器輸出電壓實(shí)現(xiàn)閉環(huán)控制，López-Flores D R等人[4]采用電壓型控制實(shí)現(xiàn)了移相全橋變換器的閉環(huán)控制，但動(dòng)態(tài)響應(yīng)不夠迅速.

本文采用移相PWM控制結(jié)合軟開(kāi)關(guān)技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了超前相臂和滯后相臂的軟開(kāi)關(guān).另外主要介紹了電流型控制方式及數(shù)字位置式PID控制的實(shí)現(xiàn)，并搭建了一臺(tái)100W的實(shí)驗(yàn)樣機(jī)，經(jīng)實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析此方案實(shí)現(xiàn)零電壓是可行的，且控制效果良好.

1 主電路拓?fù)浼肮ぷ髟?/h2>

移相全橋ZVS DC/DC變換器主電路結(jié)構(gòu)[5,6]如圖1所示.其中Q1和Q3組成超前橋臂，Q2和Q4組成滯后橋臂.C1～C4分別是Q1～Q4的諧振電容，包括寄生電容和外接電容.Lr是諧振電感，包括變壓器的漏感.Q1和Q3分別超前Q4和Q2一個(gè)相位，即移相角，通過(guò)調(diào)節(jié)移相角大小可調(diào)節(jié)輸出電壓值[7].移相控制ZVS PWM DC/DC全橋變換器在一個(gè)開(kāi)關(guān)周期中，開(kāi)關(guān)模態(tài)也有12種[8]，主要波形如圖2所示.

圖1 移相全橋ZVS變換器主電路拓?fù)?/p>

圖2 移相全橋ZVS波形圖

移相全橋軟開(kāi)關(guān)變換器對(duì)角線開(kāi)關(guān)管驅(qū)動(dòng)信號(hào)，即Q1和Q4或Q2和Q3，兩開(kāi)關(guān)管之前相位差決定了移相角的大小，如圖2所示，通過(guò)調(diào)節(jié)移相角來(lái)調(diào)節(jié)輸出電壓，讓超前臂Q1或Q3上電壓領(lǐng)先于滯后臂Q4或Q2上電壓一個(gè)相位，并對(duì)同一橋臂的兩個(gè)反相驅(qū)動(dòng)信號(hào)設(shè)置死區(qū)時(shí)間，便可以利用變壓器漏感、開(kāi)關(guān)管結(jié)電容及變壓器一二次側(cè)之間的寄生電容來(lái)完成諧振過(guò)程，巧妙地實(shí)現(xiàn)開(kāi)關(guān)管零電壓開(kāi)通或關(guān)斷，完成軟開(kāi)關(guān)方式.

2 小信號(hào)建模

因?yàn)閺墓ぷ鞣绞缴?，Buck變換器和全橋變換器相似，所以先建立Buck電路的小信號(hào)模型[9,10]，再通過(guò)相關(guān)等效變換得到移相全橋ZVS DC/DC變換器的小信號(hào)模型.

移相全橋變換器與Buck電路不同，副邊占空比丟失是移相全橋ZVS PWM變換器一個(gè)重要的現(xiàn)象.副邊的占空比Dy小于原邊的占空比D，其差值就是副邊占空比丟失，即Dy=D-Dloss，其中 Dloss為丟失占空比，可知 Dloss=2Lr(Ic+NIo)/VinTs[11]，其中Ic和Io分別為輸出濾波電容上電流和輸出電流，所以

由式1可看出，Dy受原邊占空比D，輸出電流Io以及輸入直流電壓Vin三者的共同影響.若D、Io、Vin產(chǎn)生擾動(dòng)，則Dy也會(huì)產(chǎn)生與三者相對(duì)應(yīng)的擾動(dòng).設(shè)由D、Io、Vin產(chǎn)生的擾動(dòng)量分別為它們使 Dy產(chǎn)生的相應(yīng)擾動(dòng)量分別為

根據(jù)以上分析可知，原邊占空比的擾動(dòng)對(duì)有效占空比的影響為

輸出電流的擾動(dòng)對(duì)有效占空比的影響為

輸入電壓的擾動(dòng)對(duì)有效占空比的影響

所以根據(jù)以上分析，可用Dy代替D，用NVin代替Vin就可以得出移相全橋電路小信號(hào)模型[12]，如圖3所示.

圖3 ZVS移相變換器小信號(hào)模型

由此求得移相全橋變換器的傳遞函數(shù)分別為式8和9所示，

式中，Rd=2N2Lr/Ts=2N2Lrfs.

3 基于STM32F407的控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

由系統(tǒng)框圖4可以看出，變換器的電壓電流信號(hào)經(jīng)過(guò)隔離和調(diào)理后送入數(shù)字控制器STM32F407VG的AD，根據(jù)輸入采樣信號(hào)的大小計(jì)算誤差信號(hào)，誤差信號(hào)又經(jīng)電流型控制的補(bǔ)償環(huán)節(jié)，分別為電流環(huán)PID和電壓環(huán)PID控制器，其中電流環(huán)為內(nèi)環(huán)，電壓環(huán)為外環(huán)，最后得到PWM控制量送入移相PWM發(fā)生器，調(diào)整移相角的大小，完成電流型控制.

圖4 系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)圖

3.1 驅(qū)動(dòng)信號(hào)的產(chǎn)生

STM32F407VG擁有豐富的定時(shí)器資源，包括12個(gè)16位通用定時(shí)器，2個(gè)32位高精度定時(shí)器，2個(gè)高級(jí)定時(shí)器和2個(gè)基本定時(shí)器[13].2個(gè)高級(jí)定時(shí)器(TIM1和TIM8)分別擁有4個(gè)可以配置成互補(bǔ)輸出的比較通道，并在硬件上支持死區(qū)插入.同時(shí)為了加強(qiáng)定時(shí)器之間的溝通，每個(gè)定時(shí)器都可以配置為主模式和從模式，從定時(shí)器可以被主定時(shí)器復(fù)位，觸發(fā)或者門控，利用從模式控制器，可以無(wú)程序介入地產(chǎn)生所需的移相全橋控制信號(hào).將TIM1配置為主定時(shí)器，通道1作為超前臂Q1和Q3的互補(bǔ)PWM輸出；TIM8配置為從定時(shí)器，通道1作為滯后臂Q4和Q2的互補(bǔ)PWM輸出.

如圖5所示，超前臂開(kāi)關(guān)管Q1和Q3分別由TIM1的CH1和CH1N驅(qū)動(dòng)，滯后臂開(kāi)關(guān)管Q4和Q2則分別由TIM8的CH1和CH1N驅(qū)動(dòng).TIM1的通道4比較匹配信號(hào)作為TIM8的復(fù)位控制信號(hào)，因此寫(xiě)入TIM1_CCR4值的大小決定了移相角的大小，此過(guò)程無(wú)須程序介入，大大提高了工作效率和系統(tǒng)可靠性.

圖5 移相驅(qū)動(dòng)信號(hào)的產(chǎn)生

3.2 數(shù)字雙閉環(huán)PID控制設(shè)計(jì)

數(shù)字PID控制屬于一種采樣控制，它只能根據(jù)采樣時(shí)刻的偏差值計(jì)算相應(yīng)控制量.本設(shè)計(jì)的電流型控制，電流環(huán)和電壓環(huán)補(bǔ)償均采用位置式PID控制算法.

其中Δu(kT)、ΔIL(kT)分別表示第k個(gè)采樣周期的電壓環(huán)和電流環(huán)的輸入差值，ΔVo(k)表示參考電壓值和實(shí)際電壓值的電壓誤差信號(hào)，kp、ki和 kd是電壓環(huán)的 PID 參數(shù)，k'p、k'i和k'd是電流環(huán)的PID參數(shù)，u_pi(kT)和i_pi(kT)分別表示電壓環(huán)和電流環(huán)的輸出值.

3.3 軟件實(shí)現(xiàn)

控制系統(tǒng)的軟件部分由三部分組成，即系統(tǒng)初始化和主循環(huán).初始化程序主要完成系統(tǒng)啟動(dòng)后時(shí)鐘設(shè)置，外設(shè)配置等，為后面的程序準(zhǔn)備好運(yùn)行環(huán)境.主程序則是雙閉環(huán)控制的核心所在，完成PID調(diào)節(jié)和過(guò)流保護(hù)功能.流程圖如下圖6所示：

圖6 程序流程圖

4 樣機(jī)實(shí)驗(yàn)調(diào)試與分析

電路主參數(shù)：輸入電壓Vin=20V，輸出電壓Vo=100V，開(kāi)關(guān)頻率fs=24kHZ，功率100W的DC/DC變換器，負(fù)載電阻RL=120Ω，開(kāi)關(guān)管導(dǎo)通內(nèi)阻 RDS_ON=0.01Ω，諧振電容C=100nF，諧振電感Lr=3uH，隔直電容Cb=100uF，變壓器原副邊比1:N=1:8，原邊自感100uH，濾波電感Lf=2mH，濾波電容Cf=220uF.

4.1 MATLAB仿真實(shí)驗(yàn)

圖7 輸出電壓仿真結(jié)果

圖8 零電壓開(kāi)關(guān)管仿真波形

由仿真結(jié)果看出，輸出電壓穩(wěn)定在100V左右，且穩(wěn)定時(shí)間較短，系統(tǒng)穩(wěn)定性良好，動(dòng)態(tài)響應(yīng)迅速.

4.2 樣機(jī)調(diào)試實(shí)驗(yàn)

搭建了實(shí)驗(yàn)樣機(jī)，實(shí)驗(yàn)樣機(jī)如圖9所示，實(shí)驗(yàn)波形如圖10、11和 12.

圖9 實(shí)驗(yàn)樣機(jī)

圖10 輸出電壓波形

輸出電壓波形穩(wěn)定，沒(méi)有出現(xiàn)尖峰和抖動(dòng).設(shè)定100V輸出時(shí)，用萬(wàn)用表測(cè)試輸出電壓為99.8V，紋波電壓低于0.5V，證明雙閉環(huán)控制發(fā)揮了良好的效果.

如圖11所示，原邊電流波形和理論分析相一致，在對(duì)角的開(kāi)關(guān)管打開(kāi)時(shí)，原邊電流緩慢增加，超前臂關(guān)斷后，電流開(kāi)始緩慢下降，經(jīng)歷移相時(shí)間后，滯后臂關(guān)斷，變壓器原副邊電壓均為0，原邊諧振電感承受電源電壓，電流迅速下降，進(jìn)入換流階段.

圖11 原邊電流波形

圖12 零電壓開(kāi)關(guān)管波形

如圖12所示，可以看出在額定負(fù)載條件下，超前臂和滯后臂均很好地實(shí)現(xiàn)了零電壓開(kāi)關(guān).在開(kāi)通信號(hào)VGS到達(dá)之前，開(kāi)關(guān)管漏源電壓已下降到零，但開(kāi)關(guān)管兩端電壓有震蕩和尖峰現(xiàn)象.從實(shí)驗(yàn)波形圖可以看出，實(shí)驗(yàn)樣機(jī)可以很好地實(shí)現(xiàn)軟開(kāi)關(guān)，與文中所述的原理分析一致，達(dá)到設(shè)計(jì)要求.

5 結(jié)論

提出了一種采用軟開(kāi)關(guān)技術(shù)且采用電流型控制方案，由仿真實(shí)驗(yàn)和樣機(jī)調(diào)試的實(shí)驗(yàn)結(jié)果可知移相全橋零電壓變換器控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)合理，基于數(shù)字控制的數(shù)字PID控制算法合適，開(kāi)關(guān)管可以較好實(shí)現(xiàn)ZVS開(kāi)通，系統(tǒng)工作正常，靜態(tài)性能和動(dòng)態(tài)性能良好，輸出電壓在誤差允許范圍內(nèi)，動(dòng)態(tài)響應(yīng)良好，可較好完成軟開(kāi)關(guān)和閉環(huán)控制，具有一定實(shí)用性.