XMC4500控制的移相全橋ZVS DC/DC變換器

　　移相全橋變換器移相PWM信號的產(chǎn)生方式主要有模擬電路控制和數(shù)字電路控制兩種。首先分析了數(shù)字控制與模擬控制對系統(tǒng)整體性能的影響;然后簡要介紹了移相全橋DC/DC變換器PWM信號的特點(diǎn)，最后詳細(xì)介紹了數(shù)字控制的具體實(shí)現(xiàn)過程。

　　引言

　　ZVS(ZeroVoltageSwitching，移相全橋) DC/DC轉(zhuǎn)換器是一款適用于中大功率場合的直流轉(zhuǎn)換器，它可充分利用功率器件的寄生參數(shù)和諧振電感實(shí)現(xiàn)功率開關(guān)的零電壓導(dǎo)通，降低開關(guān)管的導(dǎo)通損耗，減小了系統(tǒng)的體積和重量[1]，提高了開關(guān)管的開關(guān)頻率和系統(tǒng)的轉(zhuǎn)換效率。

　　實(shí)現(xiàn)全橋變換器的移相PWM控制的方法很多，傳統(tǒng)的控制方法可利用集成控制芯片搭建模擬控制電路來實(shí)現(xiàn)反饋調(diào)節(jié)，產(chǎn)生具有一定相位差的PWM控制波形。隨著數(shù)字信號處理技術(shù)的快速發(fā)展，各種微控制器的性價(jià)比不斷提高，數(shù)字控制已經(jīng)成為了大中功率開關(guān)電源的發(fā)展趨勢。與模擬控制相比，數(shù)字控制可以完成復(fù)雜的控制算法，且不存在溫漂，避免了模擬信號的畸變失真，減小雜散信號的干擾，并且可以實(shí)現(xiàn)通信和網(wǎng)絡(luò)控制的功能，使控制系統(tǒng)具有更好的穩(wěn)定性和更強(qiáng)的靈活性[2]。數(shù)字控制的這些優(yōu)點(diǎn)大大提高了變換器的整體性能，使得變換器成為具有高精度、高可靠性、高效率和高功率密度的設(shè)備。

　　本文針對工程中廣泛應(yīng)用的帶同步整流功能的移相全橋ZVS DC/DC 變換器，利用英飛凌新推出的XMC4500系列控制芯片，將數(shù)字控制成功引入到高頻DC/DC 變換器應(yīng)用場合，不僅實(shí)現(xiàn)了模擬控制的全部功能，而且具備了數(shù)字系統(tǒng)所特有的高性能、控制靈活等優(yōu)點(diǎn)。

　　1 移相全橋ZVS DC/DC 變換器主電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

　　移相全橋ZVS DC/DC轉(zhuǎn)換器的電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖1所示。

　　圖1 移相全橋ZVS DC/DC拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

　　在變壓器的原邊電路中，采用的是全橋逆變電路。Q1~Q4為IGBT或MOSFET功率開關(guān)器件，D1~D4分別為Q1~Q4的寄生二極管，C1~C4為Q1~Q4的寄生電容或外接電容。Lr為諧振電感，它包括變壓器漏感和外接電感。

　　在變壓器的副邊，采用的是全橋整流電路。因?yàn)樵撧D(zhuǎn)換器的輸出電流很大，若使用整流二極管，會(huì)產(chǎn)生很大的功耗。由于功率MOSFET的通態(tài)電阻很小，可以達(dá)到幾mΩ，因此可使用低壓大電流的MOSFET替代傳統(tǒng)DC-DC轉(zhuǎn)換器中的續(xù)流二極管或整流二極管，降低功耗，提高電源的轉(zhuǎn)換效率。功率MOSFET屬于電壓控制型器件，用功率MOSFET做整流器時(shí)，要求柵極電壓必須與被整流電壓的相位保持同步才能完成整流功能，故稱之為同步整流[3]。圖1中SR1~SR4即表示MOSFET管。

　　移相全橋ZVS DC/DC轉(zhuǎn)換器本質(zhì)上是一種PWM控制方式，但與傳統(tǒng)的PWM控制又有很大的區(qū)別：每一橋臂上的兩個(gè)功率開關(guān)相差180°互補(bǔ)導(dǎo)通;其中一個(gè)橋臂上兩個(gè)功率開關(guān)的導(dǎo)通角分別以一定的相位滯后于另一橋臂上所對應(yīng)的功率開關(guān)。也就是說，逆變橋四個(gè)開關(guān)管本身的占空比沒有改變，而是通過調(diào)整相應(yīng)開關(guān)管的相位差，來實(shí)現(xiàn)變壓器原邊電壓占空比的改變，即所謂的移相控制方式。

　　在一個(gè)開關(guān)周期中，移相全橋ZVS DC/DC轉(zhuǎn)換器有12種開關(guān)狀態(tài)[4]，采用移相全橋ZVS控制方式，可充分利用功率開關(guān)器件的寄生電容或外接電容來實(shí)現(xiàn)開關(guān)管的零電壓導(dǎo)通，電路結(jié)構(gòu)簡單、可靠性高。

　　其主電路主要波形如圖2所示。

　　圖2 移相全橋ZVS DC/DC主電路主要波形

　　圖2中UAB表示變壓器原邊電壓，ip表示變壓器原邊電流，U2表示變壓器次級電壓。

　　由各開關(guān)器件的控制信號波形可以看出，每個(gè)橋臂的兩個(gè)開關(guān)互為180°互補(bǔ)導(dǎo)通，左橋臂的兩個(gè)開關(guān)(Q1和Q2)的導(dǎo)通相位分別比右橋臂的功率開關(guān)(Q4和Q3)提前了一個(gè)相位，所以左橋臂為超前臂，右橋臂為滯后臂。

　　2 變換器移相控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

　　2.1 移相控制系統(tǒng)的硬件控制

　　控制系統(tǒng)采用英飛凌公司的32位微控制器XMC4500作為主控芯片。圖3為該變換器控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖，采用雙閉環(huán)控制策略，對輸出電壓Vo進(jìn)行閉環(huán)控制。電壓外環(huán)和電流內(nèi)環(huán)均采用PI調(diào)節(jié)運(yùn)算，最終電流內(nèi)環(huán)的調(diào)節(jié)結(jié)果作為有效的占空比信號，通過CCU8單元產(chǎn)生PWM移相控制信號。隔離驅(qū)動(dòng)電路產(chǎn)生驅(qū)動(dòng)信號來控制逆變電路開關(guān)管的導(dǎo)通與關(guān)斷，使變換器輸出電壓,達(dá)到所需要求?？刂葡到y(tǒng)的主要功能模塊包括:

　?、?nbsp;CCU8單元：PWM 移相控制脈沖的產(chǎn)生;

　?、?nbsp;ADC單元：模擬信號的數(shù)字轉(zhuǎn)換;

　?、?nbsp;I/O口：狀態(tài)判斷與復(fù)位控制等;

　?、?nbsp;CAN通信單元：與整車進(jìn)行通信。

　　圖3 移相全橋轉(zhuǎn)換器控制流程圖

　　數(shù)字DC/DC 變換器系統(tǒng)采用經(jīng)典的雙閉環(huán)控制算法，包括電壓外環(huán)和電流內(nèi)環(huán)，如圖4所示。

　　圖4 雙閉環(huán)控制原理框圖

　　雙閉環(huán)控制的原理是[4]：外環(huán)電壓與參考電壓比較后，經(jīng)過PI運(yùn)算，將運(yùn)算結(jié)果作為電流內(nèi)環(huán)的參考值，采樣獲得的電流與該參考值比較后，經(jīng)過PI調(diào)節(jié)運(yùn)算后，將運(yùn)算結(jié)果與三角波比較，產(chǎn)生驅(qū)動(dòng)信號驅(qū)動(dòng)逆變橋。

　　2.2 移相控制系統(tǒng)的軟件控制

　　數(shù)字控制器程序流程包括4 部分: 主程序、電壓環(huán)和電流環(huán)PI計(jì)算CCU8周期重載中斷和外部故障處理。主程序完成ADC、CCU8等模塊的初始化工作，然后進(jìn)入一個(gè)循環(huán)，等待中斷發(fā)生。

　　系統(tǒng)中斷響應(yīng)包括A/D轉(zhuǎn)換采樣中斷(進(jìn)行電壓環(huán)PI 計(jì)算、電流環(huán)PI計(jì)算)、CCU8單元重載中斷，以及CAN通信中斷3個(gè)中斷源， 并規(guī)定它們的優(yōu)先級從高到低依次為CCU8周期重載中斷、A/D采樣中斷、CAN通信中斷。

　　外部故障處理主要包括過壓檢測、過流檢測以及過溫保護(hù)，當(dāng)ADC采樣到的這些值超過限定值時(shí)產(chǎn)生中斷，并使I/O端口置低或置高響應(yīng)的電平，從而使系統(tǒng)停止工作，起到故障保護(hù)的作用。

　　3 XMC4500全橋移相控制的實(shí)現(xiàn)

　　數(shù)字化控制可以實(shí)現(xiàn)模擬控制難以做到的復(fù)雜控制算法，使系統(tǒng)的硬件兼容性更好。借助英飛凌XMC4500系列MCU的高速運(yùn)算性能和豐富集成外設(shè)資源，就能成功地將數(shù)字信號控制引入到高頻DC/DC變換器中，完成同步整流移相全橋DC/DC變換器的數(shù)字控制應(yīng)用，并取得良好的控制效果。

　　3.1 CCU8單元移相PWM的產(chǎn)生

　　ZVS全橋變換器移相控制需要4 路獨(dú)立的驅(qū)動(dòng)信號，并滿足以下條件[5]:

　?、?nbsp;同一橋臂上下兩管的驅(qū)動(dòng)波形呈180°互補(bǔ);

　?、?nbsp;4 路驅(qū)動(dòng)信號的占空比D大小固定，在忽略死區(qū)時(shí)間影響條件下取D=0.5;

　?、?nbsp;對角超前橋臂功率管的驅(qū)動(dòng)信號領(lǐng)先滯后橋臂功率管一個(gè)移相角0°，其范圍為0°~180°，并根據(jù)系統(tǒng)閉環(huán)調(diào)節(jié)結(jié)果進(jìn)行動(dòng)態(tài)調(diào)整。

　　XMC4500的CCU8定時(shí)器單元內(nèi)部具有4個(gè)獨(dú)立的PWM發(fā)生器( PWM1~PWM4)，每個(gè)PWM發(fā)生器可產(chǎn)生兩路互補(bǔ)的PWM波形。CCU8模塊的PWM發(fā)生器具有獨(dú)特的非對稱PWM 輸出模式，每個(gè)PWM發(fā)生器具有兩個(gè)可編程比較寄存器，即當(dāng)PWM 工作在互補(bǔ)中心對齊模式時(shí)，PWM占空比可在半周期獨(dú)立設(shè)置。PWM 的計(jì)數(shù)方向決定PWM 模寄存器的選擇，如在增量計(jì)數(shù)時(shí)選擇奇數(shù)模寄存器有效，在減量計(jì)數(shù)時(shí)選擇偶數(shù)模寄存器有效，由此即可完成非對稱PWM 輸出的獨(dú)特功能。

　　每一個(gè)CCU88 定時(shí)器單元提供兩個(gè)獨(dú)立的8 位死區(qū)時(shí)間計(jì)數(shù)器，可以在兩個(gè)比較通道中上升和下降沿產(chǎn)生獨(dú)立的死區(qū)時(shí)間值，可以在功率級應(yīng)用上用于短路保護(hù)，死區(qū)時(shí)間可以通過相應(yīng)的寄存器由軟件設(shè)置。

　　相關(guān)映射寄存器會(huì)根據(jù)下列事件進(jìn)行映射傳送比較寄存器重載，改變PWM發(fā)生器的比較值：

　?、?nbsp;增量計(jì)數(shù)時(shí)，周期匹配后的下一個(gè)時(shí)鐘周期內(nèi);

　?、?nbsp;減量計(jì)數(shù)時(shí)，匹配后的下一個(gè)時(shí)鐘周期內(nèi);

　?、?nbsp;定時(shí)器停止或傳送請求被觸發(fā)時(shí)立刻發(fā)生。

　　這意味著當(dāng)周期匹配事件時(shí)，在映射傳送事件發(fā)生之前最后一個(gè)時(shí)鐘周期內(nèi)的短暫時(shí)間內(nèi)使用周期匹配中斷服務(wù)，仍來得及設(shè)置轉(zhuǎn)移使能請求，通常使用比較事件中斷實(shí)現(xiàn)。然而，即使當(dāng)一個(gè)比較寄存器的值等于周期寄存器值時(shí)，仍能準(zhǔn)確地設(shè)置傳送使能請求。換句話說：整個(gè)定時(shí)器周期可以用于設(shè)置傳送使能位。

　　在本文所論述的電源系統(tǒng)中，PWM1產(chǎn)生兩路互補(bǔ)通道，驅(qū)動(dòng)超前橋臂; PWM2產(chǎn)生兩路互補(bǔ)通道，驅(qū)動(dòng)滯后橋臂，條件①即得到滿足。要實(shí)現(xiàn)條件②、③的功能，PWM發(fā)生器需要配置為中心對齊的非對稱PWM輸出模式。采用這種輸出模式，計(jì)數(shù)寄存器中的計(jì)數(shù)值增量計(jì)數(shù)到達(dá)奇數(shù)模寄存器設(shè)定值Value1時(shí)，PWM輸出信號由低變高;當(dāng)計(jì)數(shù)寄存器計(jì)數(shù)到計(jì)數(shù)周期寄存器值后變?yōu)闇p量計(jì)數(shù)、減到偶數(shù)模寄存器設(shè)定值Value2后，輸出再次翻轉(zhuǎn)，由高變低。根據(jù)PWM 產(chǎn)生方法可知，當(dāng)比較寄存器值確定后，即確定了對應(yīng)的PWM正脈寬大小以及兩對PWM之間移相角的大小，即：

　　正脈寬=2Th-PWMx_Value2-PWMx_Value1

　　移相角=PWM2_Value1-PWM1_Value1

　　其中，Th為PWM波半周期對應(yīng)的計(jì)數(shù)值;x取值為1或2。

　　要保持輸出占空比大小不變，需要使同一PWM發(fā)生器的Value2 跟隨Value1變化，即保持2Th-PWMx_Value2-PWMx_Value1為常數(shù)。同時(shí)，改變不同PWM發(fā)生器之間Value1的值，即可改變兩對PWM波之間的相位差。

　　根據(jù)XMC4500的CCU8定時(shí)器單元的工作機(jī)理，便可以將雙閉環(huán)控制采用PI調(diào)節(jié)運(yùn)算的結(jié)果PI_result經(jīng)過歸一化處理后，作為CCU8單元比較寄存器比較值的改變量，從而使滯后臂的PWM信號產(chǎn)生相應(yīng)的移相角。CCU8單元具體的移相PWM控制方式如圖5所示。

　　圖5 CCU8定時(shí)器單元移相PWM波形示例

　　3.2 A/D轉(zhuǎn)換單元

　　XMC4500提供了一系列連接到一個(gè)A/D轉(zhuǎn)換器集群的模擬輸入通道，這些A/D轉(zhuǎn)換器采用逐次逼近寄存器(SAR)原理將模擬值(電壓)轉(zhuǎn)換為離散數(shù)字值。

　　A/D轉(zhuǎn)換器集群里的每個(gè)轉(zhuǎn)換器都可以獨(dú)立于其他轉(zhuǎn)換器單獨(dú)工作，每個(gè)轉(zhuǎn)換器都有一組專用的寄存器控制，并由一組專用的請求源觸發(fā)。這些基本結(jié)構(gòu)支持面向應(yīng)用的編程和操作，并提供對所有資源的訪問，所有轉(zhuǎn)換器組幾乎完全相同，支持靈活的通道分配功能。

　　在XMC4500 中， ADC具有多種啟動(dòng)方式， 既可以用軟件直接激活相應(yīng)的轉(zhuǎn)換請求源，又可利用外部事件同步激活請求源，例如用定時(shí)器產(chǎn)生的PWM信號或者來自端口引腳的信號作為觸發(fā)脈沖。

　　通過軟件設(shè)定可將ADC 采樣時(shí)刻與PWM中心時(shí)刻調(diào)整成精確同步，即在每次CCU8單元匹配中斷中采用軟件同步啟動(dòng)ADC。對于不同的占空比輸出情況，此時(shí)功率器件的開關(guān)狀態(tài)均已完成， ADC 采樣也就能有效避免功率開關(guān)干擾，從而真實(shí)反映模擬采樣結(jié)果。

　　對于一般的微控制芯片內(nèi)部ADC功能模塊，中斷響應(yīng)比較單一，只能在全部采樣結(jié)束后產(chǎn)生一個(gè)中斷響應(yīng)。在XMC4500的ADC 模塊里，除了采樣結(jié)束中斷外，每路A/D 轉(zhuǎn)換通道均提供了多種硬件中斷響應(yīng)，即每路A/D轉(zhuǎn)換通道根據(jù)實(shí)時(shí)采樣結(jié)果自動(dòng)產(chǎn)生上限溢出中斷、過零中斷和下限溢出中斷。這一特性對于電力電子應(yīng)用也很有幫助，例如對于電感電流的采樣，如果將最大允許電感電流或輸入電壓定義成通道采樣的門限值，即可自動(dòng)完成電感電流的過流保護(hù)和輸入電壓的過壓保護(hù)。所有這些功能均由單片機(jī)內(nèi)部硬件自動(dòng)完成，并不需要任何額外的軟硬件開銷，這對于高頻應(yīng)用尤為重要。

　　4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

　　為了驗(yàn)證采用XMC4500進(jìn)行數(shù)字控制的可行性，試制了一臺移相全橋ZVS DC/DC轉(zhuǎn)換器樣機(jī)，外接XMC4500的最小系統(tǒng)對轉(zhuǎn)換器進(jìn)行控制。該轉(zhuǎn)換器可實(shí)現(xiàn)160~350 V的直流電壓輸入，14 V電壓輸出，功率為2.7 kw，工作頻率為100 kHz，閉環(huán)控制采用經(jīng)典的PI控制。最終的實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，XMC4500可以實(shí)現(xiàn)移相PWM控制信號輸出，且可以使輸出電壓很好的穩(wěn)定在14 V，具有良好的穩(wěn)態(tài)特性。