瞿亞運(yùn)， 王勤， 汪楓林， 肖嵐(南京航空航天大學(xué) 自動(dòng)化學(xué)院，江蘇 南京 210016)

基于DSP的雙輸入反激變換器研究

瞿亞運(yùn)， 王勤， 汪楓林， 肖嵐
(南京航空航天大學(xué) 自動(dòng)化學(xué)院，江蘇 南京 210016)

為了解決單原邊繞組雙輸入反激變換器主功率管在開關(guān)過程中存在電流尖峰的問題，在詳細(xì)分析了變換器工作原理的基礎(chǔ)上，提出了改進(jìn)方法并進(jìn)行了仿真驗(yàn)證，仿真結(jié)果表明電流尖峰得到了有效抑制。采用TMS320F28335作為控制芯片，設(shè)計(jì)了具有限流保護(hù)功能的雙環(huán)控制系統(tǒng)。通過一臺(tái)功率為120 W，工作頻率為100 kHz的樣機(jī)驗(yàn)證了電路設(shè)計(jì)和控制方案的正確性。

單原邊繞組；雙輸入；反激；電流尖峰；DSP

0 引 言

為了解決新能源在應(yīng)用過程中存在的供電不連續(xù)且不穩(wěn)定的問題，多種能源聯(lián)合發(fā)電系統(tǒng)應(yīng)運(yùn)而生。但傳統(tǒng)的多輸入聯(lián)合發(fā)電系統(tǒng)中變換器結(jié)構(gòu)復(fù)雜、成本較高。在中小功率場(chǎng)合，單原邊繞組多輸入變換器由于其體積小、成本低的優(yōu)點(diǎn)，近年來受到廣泛關(guān)注[1-4]。

文獻(xiàn)[5]采用脈沖單元組與隔離型主變換器相結(jié)合的系統(tǒng)架構(gòu)，提出了單原邊繞組多輸入變換器的概念，簡化了變壓器以及整個(gè)變換器的結(jié)構(gòu)。文獻(xiàn)[6]提出了適用于中小功率場(chǎng)合的單原邊繞組雙輸入反激變換器，并對(duì)其工作模態(tài)進(jìn)行了詳細(xì)分析。文獻(xiàn)[7]提出了針對(duì)雙輸入直流變換器的系統(tǒng)建模及閉環(huán)調(diào)節(jié)器設(shè)計(jì)方法。

但是該變換器的主開關(guān)管在開關(guān)過程中存在電壓電流尖峰問題，導(dǎo)致變換器開關(guān)損耗大大增加，同時(shí)開關(guān)管承受的電壓應(yīng)力較大。本文針對(duì)上述問題，對(duì)該變換器的設(shè)計(jì)進(jìn)行了改進(jìn)，并進(jìn)行了仿真驗(yàn)證，仿真結(jié)果表明了改進(jìn)的有效性。最終通過一臺(tái)基于DSP控制器的120 W樣機(jī)進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。

1 基本結(jié)構(gòu)及工作原理

圖1 單原邊繞組雙輸入反激變換器電路圖

單原邊繞組雙輸入反激變換器如圖1所示，其中，輸入源Vin1、Vin2，開關(guān)管Q1、Q2和續(xù)流二極管D1、D2分別構(gòu)成兩個(gè)BUCK型脈沖電壓源，開關(guān)管Q3、變壓器T、輸出整流二極管D3、輸出濾波電容Cf和負(fù)載電阻RL構(gòu)成主變換器，即反激變換器。Np、Ns分別為變壓器的原副邊繞組匝數(shù)，Lp、Ls分別為原副邊的電感。

開關(guān)管Q1，Q2，Q3導(dǎo)通的控制策略為：只要Q1、Q2中有一個(gè)開關(guān)管開通，則開關(guān)管Q3觸發(fā)導(dǎo)通，當(dāng)且僅當(dāng)Q1、Q2全部關(guān)斷時(shí)，Q3才關(guān)斷。Q1和Q2同時(shí)開通時(shí)，輸入源Vin1、Vin2同時(shí)給變壓器儲(chǔ)存能量；當(dāng)Q1和Q2分別單獨(dú)開通時(shí)，對(duì)應(yīng)的輸入源單獨(dú)給變壓器儲(chǔ)存能量?；谏鲜隹刂撇呗裕琎1，Q2，Q3有多種不同的開關(guān)組合，本文取一般情況進(jìn)行分析。

根據(jù)電路穩(wěn)態(tài)工作原理可知，連續(xù)導(dǎo)電模式下，在一個(gè)工作周期內(nèi)，該變換器的工作過程可分為三個(gè)階段。為了簡化分析，假設(shè)所有元器件均為理想的。

圖2 工作階段Ⅰ

圖4 工作階段Ⅲ

(1)工作模態(tài)I：如圖2所示，Q1、Q2、Q3均導(dǎo)通，D1、D2、D3均截止。電源Vin1、Vin2串聯(lián)后加在變壓器原邊繞組上，即兩路輸入并聯(lián)供電，使原邊電流ip線性上升，變壓器儲(chǔ)能，負(fù)載電流由輸出濾波電容提供。

(3) 工作模態(tài)Ⅲ：如圖4所示，Q1、Q2、Q3均關(guān)斷，D3導(dǎo)通。儲(chǔ)存在變壓器中的能量通過副邊釋放給負(fù)載，使副邊電流is線性下降，即為能量傳遞階段。

2 電流尖峰原因及抑制措施

反激電路中存在一些分布參數(shù)，如變壓器的漏感、分布電容，在開關(guān)管工作時(shí)會(huì)形成很大的電壓、電流尖峰。相對(duì)于由變壓器漏感或回路雜散電感引起的開關(guān)管關(guān)斷時(shí)的電壓尖峰，開關(guān)管開通時(shí)存在電流尖峰的原因相對(duì)復(fù)雜，更容易被忽視。實(shí)際上，開通時(shí)的電流尖峰，不僅產(chǎn)生電磁干擾(EMI)，增加開關(guān)管的電流應(yīng)力，影響效率，而且當(dāng)用峰值電流控制方式時(shí)，可能導(dǎo)致開關(guān)管誤動(dòng)作[7-9]。

圖5 開關(guān)管開通瞬間電流尖峰分析電路

如圖5所示，導(dǎo)致開關(guān)管Q3開通時(shí)電流波形前沿尖峰的主要因素有：

(1) 變壓器分布電容Cp與電路雜散分布電感Lo諧振放電，形成流經(jīng)Q3的電流尖峰。

(2) 當(dāng)變壓器勵(lì)磁電感Lm兩端電壓減小，D3承受反偏電壓關(guān)斷，引起反向恢復(fù)電流irr，經(jīng)變壓器耦合到原邊，形成流經(jīng)Q3的電流尖峰。

(3) Q3的漏-源極間結(jié)電容Cds對(duì)Q3放電，也會(huì)形成電流尖峰。

胎兒肺內(nèi)異常病灶，若有比較典型的隔離肺以及肺囊腺瘤特征者，經(jīng)由彩色多普勒超聲檢查能夠明確診斷。然而無論何種類型聲像圖以及病灶的病理性質(zhì)，若未發(fā)現(xiàn)水腫以及縱隔移位等聲像圖表現(xiàn)，并且病灶相對(duì)穩(wěn)定或出現(xiàn)縮小者其預(yù)后效果通常較好[6]。

在電路設(shè)計(jì)過程中，無法避免雜散分布電感Lo，但是可以通過改變變壓器的繞制方法來減小分布電容Cp，以及改善D3的反向恢復(fù)特性，從而達(dá)到減小開關(guān)管Q3開通時(shí)電流尖峰的目的。

圖6 原邊電流ip、副邊電流is、開關(guān)管Q3兩端電壓改進(jìn)前后對(duì)比波形

如圖6所示，由Saber軟件仿真結(jié)果對(duì)比可知，通過重新設(shè)計(jì)變壓器參數(shù)，減小其分布電容，并選取反向恢復(fù)時(shí)間較短的超快恢復(fù)二極管作為副邊二極管，可以有效抑制開關(guān)管Q3開通時(shí)的電流前沿尖峰。

3 數(shù)字控制設(shè)計(jì)

圖7 雙輸入反激變換器的DSP控制系統(tǒng)框圖

數(shù)字控制方式具有控制靈活、精度高、功耗小等優(yōu)點(diǎn)。圖7為雙輸入反激變換器的DSP控制系統(tǒng)框圖。輸出電壓通過電阻分壓采樣，原邊電流通過霍爾傳感器CSM010A進(jìn)行采樣，經(jīng)過調(diào)理電路后接入DSP進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換，經(jīng)A/D轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號(hào)后進(jìn)行PID調(diào)節(jié)，結(jié)果通過EPWM單元處理，產(chǎn)生的驅(qū)動(dòng)信號(hào)經(jīng)過放大電路觸發(fā)主電路功率開關(guān)，實(shí)現(xiàn)占空比調(diào)節(jié)，從而向負(fù)載端提供穩(wěn)定的電壓值。

本設(shè)計(jì)采用雙閉環(huán)控制方式，內(nèi)環(huán)是電流環(huán)，外環(huán)是電壓環(huán)。兩個(gè)控制環(huán)都是經(jīng)檢測(cè)、采樣保持、PID調(diào)節(jié)環(huán)節(jié)實(shí)現(xiàn)閉環(huán)的。軟件所要實(shí)現(xiàn)的功能包括：采集電壓和電流信號(hào)，進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換；數(shù)字PID調(diào)節(jié)器的計(jì)算，調(diào)節(jié)PWM脈沖的占空比；產(chǎn)生3個(gè)開關(guān)管的PWM驅(qū)動(dòng)信號(hào)，開關(guān)頻率為100 kHz。

主程序和中斷服務(wù)流程圖如圖8所示。

主函數(shù)的任務(wù)是系統(tǒng)的初始化，開關(guān)機(jī)檢測(cè)，然后等待中斷到來進(jìn)行A/D采樣。初始化需要進(jìn)行函數(shù)、變量聲明；I/O口及EPWM輸出口的設(shè)置；中斷向量設(shè)置；各外設(shè)模塊初始化；定時(shí)器單元和A/D模塊中關(guān)鍵寄存器的設(shè)置等等。A/D 中斷服務(wù)程序主要是讀取及保存采樣結(jié)果，并調(diào)用PID算法計(jì)算出誤差控制量。

圖8 主程序和中斷服務(wù)程序流程圖

本文中采用增量式PID算法進(jìn)行雙閉環(huán)控制[10-12]。模擬PID控制規(guī)律表達(dá)式為：

(1)

式中，Kp為比例系數(shù)，Ki為積分系數(shù)，Kd為微分系數(shù)，e(t)是調(diào)節(jié)器的輸入函數(shù)，u(t)為調(diào)節(jié)器的輸出函數(shù)。

為了實(shí)現(xiàn)對(duì)系統(tǒng)的數(shù)字PID控制，將上式離散化后為：

(2)

由此可得到增量式數(shù)字PID控制表達(dá)式：

(3)

4 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

為驗(yàn)證數(shù)字化控制方法的可行性，按上述工作原理分析，研制了一臺(tái)120 W原理樣機(jī)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。功率開關(guān)管選用MOS管，型號(hào)為IRFP460，其開關(guān)頻率為100 kHz。輸入源Vin1為120 V直流源，Vin2為220 V/50 Hz的單相交流源，整流橋選用KBPC610，其耐壓耐流值為1 000 V/6 A。D1、D2、D3均選用超快恢復(fù)二極管，其中D3選用二極管RHRG1560，其反向恢復(fù)時(shí)間trr為35 ns。變壓器采用三明治繞法，原副邊匝比為2∶1。DSP選用TMS320F28335芯片，輸出電壓用分壓電阻進(jìn)行采樣；原邊電流采樣選用霍爾傳感器。

圖9 實(shí)驗(yàn)主要波形

實(shí)驗(yàn)主要波形如圖9所示，其中(a)與(b)為Q1、Q2、Q3的驅(qū)動(dòng)波形，(c)為開關(guān)管Q3兩端電壓波形，(d)為變壓器原邊電流波形，(e)為輸出電壓波形。

從實(shí)驗(yàn)波形可以看出，輸出電壓穩(wěn)定，電路能正常工作。開關(guān)管Q1、Q2、Q3的占空比分別為0.5，0.25，0.5，符合Q1或Q2導(dǎo)通，Q3才導(dǎo)通的原則。Q3關(guān)斷時(shí)承受的漏源極電壓為125 V，原邊電流ip峰值為2.4 A，Q3開通時(shí)的電流前沿尖峰得到有效抑制。

5 結(jié)束語

在對(duì)單原邊繞組雙輸入反激變換器原理分析的基礎(chǔ)上，對(duì)開關(guān)管Q3開通時(shí)電流前沿尖峰產(chǎn)生原因進(jìn)行分析，并提出了改進(jìn)措施，仿真結(jié)果表明電流尖峰得到了有效抑制。最后通過基于DSP的雙輸入反激變換器實(shí)驗(yàn)平臺(tái)進(jìn)行驗(yàn)證。實(shí)驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證了改進(jìn)方案的正確性與可行性。

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A Research on the Double-input Flyback Converter Based on DSP

QU Ya-yun, WANG Qin, WANG Feng-lin, XIAO Lan
(College of Automation, Nanjing University of Aeronautics and Astronautics, Nanjing Jiangsu 210016, China)

Based on a detailed analysis of the working principle of the converter, this paper presents an improvement method and makes a simulation verification in order to solve the problem of current spike occurring in the switching process of the main power tube of the single-primary-winding double-input flyback converter. The simulation result shows that the current spike is suppressed effectively. By adopting TMS320F28335 as control chip, this paper designs a double-loop control system with current-limiting protection. Through a 120 W prototype with 100 kHz working frequency, it is verified that the circuit design and control scheme are correct.

single-primary-winding; double-input; flyback; current spike; DSP

10.3969/j.issn.1000-3886.2015.05.002

TM461

A

1000-3886(2015)05-0004-03

瞿亞運(yùn)(1990-)，女，江蘇江陰人，碩士生，研究方向：多能源聯(lián)合供電及軟開關(guān)直-直變換器。 王勤(1967-)，男，江蘇江陰人，教授，博士生導(dǎo)師，研究方向：新能源供電及功率電子變換技術(shù)。

定稿日期: 2014-12-03