DSP控制下全桥软开关DC/DC变换器的研究

王 鑫，曾繁政，张 黎

（贺州学院，广西 贺州 542899）

DSP控制下全桥软开关DC/DC变换器的研究

王 鑫，曾繁政，张 黎

（贺州学院，广西 贺州 542899）

ZVS变换器性能十分优良，而且由于ZVS开关能够在零电压软开关下工作，其损耗变得十分低，加上结构更加简单，因此在DC/DC变换场合应用广泛。

DC/DC变换器；DSP；零电压开关

1 DC/DC变换器工作原理

这一变换器使用的是全桥结构，如图1所示，在次一级上所采用的全波整流，为了降低导通损耗，在进行副边设计时采用了反并联续流二极管DX。在变换器当中采用一个耦合电感实现开关的ZVS进行变压处理。在变换器当中将一个隔直电容串联在桥壁和耦合电感之间，在具体工作当中隔直电容能够有效防止偏磁和变压器铁芯饱和。在对变换器进行控制时采用移向控制的模式。

图1 新型全桥ZVS PWM DC/DC变换器等效原理

在一个开关周期当中，这一变换器总共有12种开关模态。在对DC/DC工作原理进行研究之前，必须要对整个电路进行合理简化：如果在具体的研究工作当中滤波的电感值达到一定程度，那么可以将其等同于输出电流Io的恒流源，如果Cb1和Cb2两个电容的电容值足够大，就可以将两个电容值足够大的电容看作是恒压电源Vcb1和Vcb2。其原因在与在一个开关的周期之内，变压器与耦合电感之间的电压均值是0，且变换器的桥壁开通的时间均占到整个周期的1/2。这样Vcb1以及Vcb2的值都为Vin/2。为了使研究工作能够进一步简化，在实际研究当中可以建设二极管和MOS管都是理想器件。并且在进行研究的过程当中变压器、耦合电感等的励磁电感均都忽略。耦合电感LC可以被看作是nLC=1的理想变压器，Lm与其并联，在对整个电路进行合理的简化之后，其等效电路如图1所示。

1.1 t0～ t1时间段

在t0～t1时间端上，Q1和Q3会闭合，与此同时i1以及i2回经过开关管、阻断电容、LC流进变压器TR的初级线圈，儿且输出电流Io会通过变压器副边绕组。此时，ip=i1+i2=i0/nTr，nTR=Np/Ns代表了变压器中的变化，ip具体指的是通过变压器原边的电流。在这个时间段，A，B两点的点位都是Vin/2，因此，电压VAB=0，同时由于VAB=VAC+VCB=0，并且VAC=VAB，那么VAC，VAB都是0，这说明A，B，C 3个点的点位是相同的。这样处理线圈的电压Vp=Vin/2。因为VAC=ACB=0，所以iM的值是恒定不变的。此外，由于nLC=1，因此电流i3和i4是相同的，并且其值都是ip/2，i1=ip/2+iM，i2=ip/2-iM。如果时间t=t1，此时的Q1回关闭，因为此时的C1电容的电压是0，那么Q1能够实现零电压关断。电流i1流经Q1到C1。

1.2 t1～ t2时间段

在Q1被关断之后，C1回充电，并且C2能够放电，此时A点的点位回下降，当C1电容的充电达到电源电压Vin时，且C2放电为0时，A点的电位从Vin/2到-Vin/2时，因为B点的电位没有发生变化，维持在Vin/2，并且当t=t2时，VAB就会变化为-Vin/2，此时的通过耦合关系能够得出C点的电压是0，这样Vp也会明显降低，并最终回降低到0。此时的iM基本上会处于最大值的状态，并且i1也同样处于最大的状态当中，并且C1上的电压能够顺利地充电到电源电压当中，C2电容上的电压能够到0 V。

1.3 t2～ t3时间段

在C2完成放电之后，这时反并联二极管D2就会打开，Q2同样也会打开，并且这时的Q2是0电压开通的。此时，因为VAB和Vin是相同，那么这时的iM就会以Vin/LM的斜率下降。在这一个过程当中，ip是保持不变的状态，并且其具体的值就是Io/nTR，由于i1=ip/2+iM，并且i2=ip/2-iM，那么i1以及i2都能够以一样的速率进行变化。当t=3时，iM的值会变成0。

1.4 t3～ t4时间段

在iM=0的时刻，在LM上的电压VAB=-Vin，这样，iM能够以Vin/LM能够以反方向上升，此时就会出现i1不断下降以及i2不断上升的结果，这样就可以滞后臂的0电压开关做好准备工作。在整个系统中的电流方向除了iM反向之外，其余电流的方向是不会发生变化的。励磁电流iM在t=t4时的值是最大的，并且这一时刻i1的值是最小的，i2的值也是最大的，这时Q3会关断，i2需要从Q3转移到C3电容上，这样C3就会被充电，并且C4容易被放电。

1.5 t4～ t5时间段

在C3上的电压变化为电容电压时，C4电容上的电压就会降低到0，同时电位会由原来的Vin/2逐渐下降为-Vin/2。在这一过程当中A点的电位是不会发生变化的，并且VAB可以从原先的-Vin变成0。通过对上文的分析研究，得知如果在A，B两点的电压变成VAB的值是0的时候，那么A，B，C三者的电位是一样的。那么这个时候的Vp就会从0变为-Vin/2。C4在t5时刻的放电能够完成，并且伴随着放电工作的完成，D4能够开通，Q4能够在零电压下开通。同时的iM的负值也处于最大的状态，因为i2=ip/2-iM，那么在这种情况下的i2的值是最大的，在这一过程当中电路中所有的电量能够确保将C3电容，C4电容上的电压会放电到0，这样就可以实现对滞后臂的零电压开关。

1.6 t5～ t6时间段

当Vp的值降低到-Vin/2，这样负载电流就会流经DR2，并且DR1会关断。加入变压器TR以及耦合电感LC的漏感是0，并且在很短的时间内就可以实现这种转换。但是，在变压器当中由于在初级以及次级的两侧都可能存在有寄生电感，这样如果在绕组电压的符号发生变化时，负载电流在短时间内很难完成。

2 基于DSP的DC/DC变换器控制策略

隔离输出、信号产生和功率驱动构成了控制电路的主体部分，在进行具体研究的过程中文中所采用的控制器系统采取了双环控制的方法，变换器在具体工作的过程当中通过直接作用于滞后桥臂以及超前桥臂对电路完成控制，并控制电压值的输出，这样能够对电路进行有效的保护工作，这样能够确保变化器可以平稳的工作。控制系统当中电流双环以及系统电压控制模式，这样可以对采样输出电压和输出电流作为反馈值进行合理的管控，在整个系统当中内环能够对滤波电感电流进行控制，外环对输出电压进行控制工作。

Ku指的是输出电压的采样系数，Ki表示电感电流采样系数，Kmd表示脉宽调制器传递系数，Kmd=1/Um，其中Um表示的是三角波峰值，Gu(s)，Gi(s)分别是电压环PI调节器以及电流环PI调节器的传递函数，Gid(s)是主电路的占比空间对电感电流的开关传递系数：

3 系统设计

3.1 系统硬件设计

在系统硬件进行设计的过程当中，系统在主控芯片的选择上选取的是DSP TMS320LF2407，这一款芯片的指令的周期是25 ns，同时这一款芯片的PWM的分辨率十分高，能够满足在负载条件下进行计算的需求，EVA和EVB是这一系统的两个事件管理器模块，在具体工作的过程当中能够顺利实现16通道的A/D转换等工作任务，确保系统工作职能能够得到充分发挥。

3.2 系统软件设计

从整体上看，系统的软件设计具体可以被划分成为终端服务程序以及主程序。在整个系统当中，系统软件的主要功能是要确保能够完成系统初始化。完成检测并且进入主程序循环等待终端。终端服务程序的主要功能比较多，例如可以进行数字滤波以及调节器的运算等方。整个系统在运行的过程当中受到各种因素影响可能会出现故障，这时系统外部硬件能够发出信号对封锁脉冲放大和整形电路，并且会有信号送DSP，这样就能够产生封锁脉冲输出。

3.3 基于DSP的直接移相脉冲生成方法

移相具体指的是滞后臂驱动相对于超前臂驱动之间的一个周期行的延时，并且延时角也就指的是移相角。假设PWM1/PWM2能够驱动超前臂开关管，并且PWM3/PW，4驱动滞后臂开关管，并且在上下的两管之间的驱动能够互补，这样能够确保没有死区。在具体实现的过程中可以固定超前臂的驱动，其能够在一个周期的T0时刻出发，那么只要按照移相角对应的事件，就能够获取滞后臂的驱动，这样就能够在0°～180°的范围内进行自由地移相。采用这种脉冲的方法也只需要实用到DSP的4个接口，并且还能够对死区进行科学设置，因此其灵活性和可靠性也更好。

[1]武琳，张燕枝，李子欣，等.一种隔离式双向全桥DC/DC变换器的控制策略[J].电机与控制学报，2012（12）：21-27.

[2]孙铁成，郭超，娜仁图亚，等.具有移相控制的ZVS全桥DC-DC斩波变换器[J].电工技术学报，2014（12）：66-72.

Research on full bridge soft switching DC/DC converter with DSP control

Wang Xin, Zeng Fanzheng, Zhang Li
（Hezhou University, Hezhou 542899, China）

Performance of ZVS converter is very good, moreover, the ZVS switch can work under zero voltage soft switching, the loss becomes very low, and with simpler structure, it is widely used in the DC/DC transform.

DC/DC converter; DSP; zero voltage switch

项目名称：基于软开关的移相全桥升压变换器的研究与设计；项目编号：2015ZC07。

王鑫（1987— ），男，云南丽江，助理馆员；研究方向：智能控制。