基于DSP的移相全橋DC-DC變換器的設計

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(廣西大學 電氣工程學院,廣西 南寧 530004 )

1 引言

當今環境問題日益嚴峻，傳統能源日益枯竭，發展新能源已經成為一種新的趨勢[1-2]。光伏發電、風能發電、電動汽車、電池儲能、超級電容等都成為了新能源發電或者存儲的一種途徑。而能將以上設備實現能量轉換，甚至組建一個微電網實現能量管理的關鍵部件就是DC-DC變換器。

本文選擇移項全橋作為變換器的電路主拓撲圖，每個橋臂的對角開關管1800互補導通，兩個橋臂的導通之間相差一個相位。當調節相位角的大小時，控制IGBT導通與關斷的時間來控制電壓和電流的大小，從而控制能量的變換[3]。

TMS320F28335是浮點 MCU 系列中綜合性能最適宜用作電氣控制的芯片，支持浮點編程，避免了定點芯片如 TMS320F2812 中復雜定浮點轉換，從而大為簡化了編程[4]。同時它還能產生八路PWM波形，與移項全橋電路中的八個開關管剛好實現了一對一的控制。

2 系統設計方案

圖1所示是DC-DC變換器的設計框架，高壓側與低壓側通過移項全橋電路連接，是能量變換的主回路。電壓電流傳感器把主回路中的電參量進行采集，經過多級調理電路，在轉換到以DSP為核心得控制器中，經過一系列的閉環控制策略的運算之后，產生PWM波形，傳遞到主回路的IGBT上控制開關管的導通，來控制能量的轉換。

圖1 DC-DC變換器系統設計方案

3 系統硬件實現

3.1 主拓撲圖的結構及原理

圖2 主拓撲結構框圖

充電模式時，開關管PWM1-PWM4有驅動信號，對管導通。而開關管PWM5-PWM8則沒有驅動信號，只利用其二極管實現整流橋的作用。當處于放電模式時，開關管PWM5-PWM8有驅動信號，而開關管PWM1-PWM4則沒有驅動信號，當四個開關管同時導通時，電感L儲能。如圖2所示。

3.2 采集板電路設計

單路電壓電流傳感器通過四級運放調理將采集的參數傳送到DSP中的AD進行處理。

圖3 前級采集電路

圖2是第一級運放是電壓跟隨器，輸入與輸出電壓一致，同時在電路中，電壓跟隨器一般做緩沖及隔離級作用；雙向反并聯二極管保證運放正負極端電壓差在0.7V之內，起到限幅保護運放的作用。

圖4 后級采集電路

中間兩級也是放大電路，上圖3是第四級放大電路，是一個負反饋的放大電路，中加入了電容濾掉高頻信號，最終計算公式如下。

Uo=1/2(3.3-Ui)

(1)

將輸出的幅值電壓在0～3.3V的電壓傳輸到DSP中的AD進行處理。

3.3 觸摸屏上位機及modbus協議介紹

TPC1062K觸摸屏是一套以嵌入式低功耗CPU為核心(主頻400MHz)的高性能嵌入式一體化觸摸屏。外部接口有RS232和RS485串口個一路，RJ45以太網接口和USB口各一路；可以通過多種方式來通信[5-6]。

圖5 觸摸屏上位機控制界面

圖5是上位機控制界面，左側是"參數設置"界面，這個界面上可設置高壓側和低壓側電壓、電流參數值，然后將數據發送下去，通過PID控制程序來調整電參量來達到控制的目的；右側是變換器“狀態顯示”界面，將實時采集的電參量和溫度傳送到上位機來，顯示監測。當低壓側電壓設置為50V時，狀態顯示側低壓側電流經PID調試后得到的值為49V。

電流、電壓、溫度等參量都需要經過modbus協議來實現數據的傳輸[6]，上位機每隔1s個變換器發送一串如表1所示的數據，其中地址碼(01)，功能碼(03)，首地址(00 00)，需要讀取數據個數(00 05)，校驗碼(85 C9)。

表1 上位機發送從機接收數據

表2 從機發送上位機接收數據

表2是上位機發送表1的數據后，經過判斷處理，將DSP寄存器中的數據從DSP發送給上位機：數據的格式依次為：地址碼(01)、功能碼(03)、傳輸的數據個數(5)、校驗碼(BA EB)。

表3 上位機發送控制數據

表3是通過控制界面給參量設置控制值得數據格式：格式為依次為：地址碼(01)、功能碼(06)、設置變量的地址(03)、設置變量數值(00 32)、校驗碼(F8 1F)。表3是給DSP中的寄存器03地址設置一個值為50V的電壓值。

4 軟件實現

圖6 主程序流程圖

電壓、電流、溫度經傳感器、調理電路將信號傳入到DSP內部AD中，一旦AD緩沖中有數據就會觸發AD中斷，在中斷中做一系列的控制算法：軟件濾波、保護邏輯動作，PID閉環控制策略，匹配上位機數據等；之后再產生PWM波形發送到驅動板上去，程序流程圖如圖6所示。

5 運行結果

搭建好系統之后，使用可編程電源和電子負載進行了實驗，用示波器采集的波形如圖7所示。

圖7 驅動波形

圖7產生的驅動板上的全橋PWM波形，PWM1-PWM2是前橋臂，是一對有死區的互補波形，PWM3-PWM4是后橋臂，同樣也是互補波形。

圖8 變壓器原邊波形

圖9 輸入電壓(黃色)、輸出電壓(藍色)

圖10 輸入電流(黃色)、輸出電流(藍色)

圖8是變壓器原邊電壓波形，圖9和圖10分別為輸入輸出端的電壓和電流實際值，當在可編程電源端給定100V，電子負載端設定一個25Ω電阻，當上位機設定電壓值為50V時，會得到一個2A的電流，總功率為100W。圖8～圖10中波形有很小的震蕩是由于可編程電源本身電能質量不好而引入變換其中，而并非變換器本身原因。

6 結論

本文介紹了DC-DC變換器的拓撲圖、控制器、上位機、通信協議，硬件設計和軟件設計，并開發出來了一套實物系統，在實際運行中通過對相位的移動來實現對變換器電壓、電流的靈活控制。用觸摸屏代替了傳統電腦作為上位機，節省了成本，大大減少了變換器的體積和提高對變換器的保護作用，具有一定的借鑒意義。