全桥移相PWM开关电源的数字化控制方案精Word文档下载推荐.docx
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器、IGBT驱动电路、检测电路、保护电路以及辅助电源电路,如图1所示。
2.1主电路的设计
图2示出主电路[2]。
Udc为220V单相交流电源
经整流滤波后的输出直流电压,经由VT1~VT4构成的逆变电路产生高频开关脉冲,再经高频变压器,在次级线圈感应出交变的方波脉冲,由全波整流电路和LC滤波器消除高频成分、电流冲击并减小电路的纹波系数,得到所需的恒定直流电压。
逆变电路采用单相全桥逆变器结构,4个功
率开关器件IGBT在DSP控制回路作用下作周期性的开关动作,将直流电压逆变成频率为20kHz的脉冲电压。
采用PWM方式保持开关频率不变,
全桥移相PWM开关电源的数字化控制方案
石宏伟
（江阴职业技术学院,电子信息工程系,江苏江阴
214433
摘要:
提出全桥移相PWM开关电源的DSP实现方案框图,对其主电路和控制电路的硬件电路及参数估算进行
了详细设计,并对其数字控制系统的软件设计方法进行了研究,全面介绍了一种全桥移相PWM开关电源的数字化控制方案。
经软件仿真和实验验证,通过DSP实现数字控制,输入电压在较宽范围内变化时都能获得满意的控制效果,表明该数字化控制方案是可行的。
关键词:
开关电源;
数字控制;
全桥移相中图分类号:
TN86
文献标识码:
A
文章编号:
1000-100X（201109-0108-03
TheDigitalControlSchemeofFull-bridgePhase-shifted
PWMSwitchingPowerSupply
SHIHong-wei
（JiangyinPolytechnicCollege,Jiangyin214433,China
Abstract:
Thegeneralblockdiagramisproposedfirstly,thenthemaincircuitandcontrolcircuitoffull-bridgephase-shiftedPWMswitchingpowersupplyaredesigned,andthesoftwaredesignmethodofdigitalcontrolsystemisintro-duced.FinallythedesignedsystemissimulatedwiththePspicesimulationsoftware.Thesimulationresultsshowthatthecontroleffectissatisfactorywheninputvoltagechangesinawiderangeandthedigitalcontrolschemeisfeasible.Keywords:
switching
powersupply;
digitalcontrol;
full-bridgephase-shifted
图1
总体结构框图
108
图
4DSP的移相原理图
通过改变驱动脉冲的占空比达到改变输出电压的目的,实现24V的恒压输出。
设计要求:
输出功率Po=3kW,输出稳定的直流电压Uo=24V,则额定输出电流Ip=Po/Uo=125A,即为高频变压器次级电流。
通过计算,初级电流
I=5A,
则可得到流过IGBT的电流为5A,而加在开关管两端的正向电压为550V,据此选择型号为APT13GP120B的IGBT。
逆变桥上的电容可选用2200pF的电容。
逆变电路的输出电压500V加至高频变压器初级,在变压器作用下,次级电压为20V,这就要求变压器的匝数比为25∶1。
全波整流电路将高频变压器输出的正负对称的脉冲电压整流成单向脉动直流电压,然后采用LC输出滤波器将脉动直流变成满足设计要求的直流电压。
考虑电路的工作频率很高,选择输出整流二极管为反向恢复时间短的快恢复二极管。
2.2
控制电路的设计
数字电源技术的核心是控制电路的数字化[3]。
控制电路采用DSP芯片TMS320LF2407A,内置两个
事件管理模块EVA,EVB,
处理速度为40MIPS。
采用移相控制方式,通过DSP对给定信号、参数反馈进行处理、运算与控制,经驱动电路控制逆变电路的4个开关管。
根据Uo检测信号反馈进行调节移相角,当Uo由于负载或输入电压波动下降时,减小移相角,使逆变器输出电压方波脉宽增加,从而使Uo上升到稳定值。
反之当Uo上升时,增加移相角,使逆变器输出电压方波减小,从而使Uo下降到稳定值,
以达到高频电源数字化控制。
开关电源中,当电源内部元器件随外部环境的变化其性能参数发生变化、输入电压波动、外部负载变化或某些突发事件出现时,均会引起输出电压变化。
输出电流电压反馈信号经低通滤波和A/D转换后得到DSP所能接受并处理的数字信号,然后与给定量进行比较,并完成PI运算,得到电源的占空比信号,最后DSP向PWM信号发生电路发送信号,PWM信号发生器经过驱动电路向电源主电路的IGBT发送PWM信号,从而控制开
关器件导通和截止的时间[4],
达到稳定输出电压的目的。
图3示出数字控制电路结构框图。
采样电路完成输出电流、电压的采样。
电路采取光耦隔离措施,可使主电路强电与DSP控制系统弱电间保持控制信号的联系,切断电气的联系。
为保障电源安全可靠工作,保护电路的实时监控和各种保护功能必不可少。
因此,必须对送入A/D模块的电压电流及其他相关信号作实时检测,一旦超过给定值,必须在短时间内切断主电路
功率开关管。
引脚被拉为低电平,并引发中断,输出引脚置为高阻态,封
锁驱动信号,关闭功率器件,及时保护电源系统。
驱动电路是控制电路与主电路的接口,驱动电路选用IGBT专用集成驱动芯片EXB841,4个IGBT的栅极驱动电路独立。
3系统软件设计
DSP数字控制能实现比模拟控制更为高级且
复杂的策略,数字PID系统易于实现模块化管理,能消除因离散元件引起的不稳定和电磁干扰,可在同样的硬件环境下尝试不同的控制策略,寻求最优控制方案。
3.1
DSP移相控制原理
图4示出移相控制原理[5]。
电源工作频率由通用定时器1的周期寄存器T1PR给定,计数寄存
器T1CNT采用连续增/减计数模式。
规定超前臂
VT1,VT2为固定臂开关管,软开关滞后臂VT3,VT4
为移相臂开关管。
在每周期DSP互补输出uPWM1和
uPWM2,
死区时间由死区控制寄存器给出,避免上下臂直通。
VT3,VT4的移相角由比较寄存器CMPR2给定,DSP同样输出互补并带死区的uPWM3,uPWM4。
实时改变CMPR2的值并保证uPWM3和uPWM4互补,即可控制电源输出的占空比。
只有uPWM1与uPWM4,uPWM2与uPWM3同时为高时,
电源才能传递功率。
3.2数字PID算法
采用数字PID控制器来实现电压和电流的动
态稳定,PID控制规律可表示为:
u（t=KPe（t+1
TI
乙e（tdt+TD
de（tdt
t
t（1
式中:
u（t为PID调节器输出量;
TI为调节器的积分时间;
TD为调节器的微分时间;
KP为调节器的增益。
3
DSP控制电路结构
全桥移相PWM开关电源的数字化控制方案
109
图724V直流输出电压实验波形
对式（1
离散化,得:
ui=KPei+T
TIi
j=0Σej+TT
（ei-ei-1Σ
Σ
（2
根据递推原理可得:
ui-1=KPei-1+T
I
i-1
j=0
Σej+TP
（ei-1-ei-2Σ
（3
由式（2,（3
得:
ui=ui-1+KP（ei-ei-1+KIei+KD（ei-2ei-1+ei-2（4
KI为积分系数,KI=KPT/TI;
KD为微分系数,KD=KPTD/T。
3.3
数字滤波
数字滤波实际就是通过DSP对采样信号进行平滑加工,加强其有用信号,消除和减少各种干扰和噪声,提高系统可靠性。
在进行数据处理和PID调节前,应首先对采样值进行数字滤波。
系统采用算术平均滤波,对目标参数进行连续采样,然后求其算术平均值为有效采样值。
3.4
软件实现
软件设计主要包括主程序、定时计数器中断服务程序及控制算法程序设计3部分,如图5所示。
首先对系统初始化,其中包括给控制寄存器赋初值,在等待中断的空闲时间内采集输出信号,设置ADC转换结束标志位为1。
为保证程序的正常运行要禁止看门狗,设置PWM信号的频率和死区时间,设置通用定时器1和2的控制寄存器,设置捕获控制寄存器检测下降沿。
4系统仿真
应用仿真软件Pspice9.2对所设计的3kW/
20kHz（125A/24V
开关电源进行了仿真。
通过调节超前桥臂与滞后桥臂间的移相角来调节输出电
压的大小,使输出电压保持稳定。
仿真参数:
输入直流电压Ui=500V;
输出直流电压Uo=24V;
变压器初、次级匝比N=25;
附加谐振电感Lr=20μH;
主功率开关管VT1~VT4采用APT13GP120B;
输出整流二极管VD5,VD6采用DD200KB。
图6a示出高频变压器初级电压和电流仿真波形。
由图可见,由于两桥臂驱动脉冲的移相角的存在,使uab波形中出现“零电压平台”;
ip波形经历了从缓慢上升→缓慢下降→正向急剧下降→过零→反向急剧上升→缓慢上升→缓慢下降→反向
急剧下降→过零→正向急剧上升…的过程。
图6b
示出整流滤波输出电压波形,可见,直流输出电压基本达到要求,纹波也不太大。
5实验结果及分析
制作了一台3kW/20kHz（125A/24V大功率高频开关电源样机,输出电压电流均可调。
实验参数:
单相输入电压220V/50Hz,输出功率3kW,工作频率20kHz,图7示出实验波形。
可见,输出直流电压较为平稳,输出波形良好,验证了所选电路结构的正确性与合理性。
实验结果表明在开关电源中用数字控制器代替模拟控制器是可行的。
6结论
结合当前高频开关电源的发展现状,研究了全桥移相PWM开关电源的数字化控制方案,根
据性能指标设计了一款3kW/50kHz高频数字开关电源,介绍了基于DSP的控制电路设计方案,并针对高频开关电源中的一些问题进行了详细研究,最后验证了设计方案的正确性和可行性。
参考文献
[1]张占松,蔡宣三.开关电源的原理与设计（修订版[M].北京:
电子工业出版社,2004.
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蓉.高频数字开关电源结构设计与仿真研究[J].北华航天工业学院学报,2009,19（2:
3-7.
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北京航空航天大学出版社,2002.[5]
李远波,张永俊,周慧峰,等.基于DSP的软开关逆变式脉冲电源
[J].电力电子技术,2009
43（11:
59-60.
图5主程序流程图
图6仿真波形
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