基于DSP数字控制双向全桥DC/DC变换器的研制

摘要

双向DC/DC变换器(Bi-directional DC/DC Converter, BDC)是典型的“一机两用”设备,可实现能量的双向传输,所以在需要能量双向流动的场合,双向DC/DC变换器的应用可大幅度减轻系统的体积、重量和成本,有着重要的研究价值。本文主要研究适用于中到大功率场合的数字控制隔离型双向全桥DC/DC变换器。本文首先介绍双向DC/DC变换器的概念、应用场合以及研究现状,并在此基础上分析了研究较多的电压-电流型双向全桥DC/DC变换器的优缺点,进而引出了电压-电压型双向全桥DC/DC变换器。该变换器的高压侧和低压侧都为电压型全桥结构,降压模式时,高压侧开关管有驱动信号,低压侧开关管驱动信号封锁,仅用功率开关管的体二极管整流；升压模式时,其工作原理与降压模式相反。因此,升/降压工作模式原理与单向全桥DC/DC变换器类似。同时还分析了主电路中高频变压器偏磁问题并给出了解决方案。其次本文在对电压-电压型双向全桥DC/DC变换器工作原理分析的基础上,设计了主电路、驱动电路、采样电路以及保护电路等,并详细介绍了电路中主要元器件参数的选取方法,变压器等磁性元件的设计流程,并利用OrCAD10.5/PSpice软件对整个主电路方案进行了仿真验证。本文还详细介绍了基于DSP TMS320F2812数字控制电路的设计过程,并且提出了一种基于DSP全比较模式的数字移相直接生成方法,该方法通过编程方式就可以实现移相波形的产生及死区的灵活设置,并设计了合理的数字控制器。最后制成了一台额定功率1KW的样机,进行了实验验证。实验结果表明了上述方案、分析、设计的正确性。

目录

摘要

Abstract

1 前言

1.1 课题研究背景

1.2 向DC/DC变换器的应用

1.2.1 不停电电源系统(UPS)

1.2.2 电动汽车电源管理系统

1.2.3 太阳能电池电源系统

1.3 向DC/DC变换器的研究现状

1.3.1 双向DC/DC变换器拓扑的研究

1.3.2 向DC/DC变换器控制技术的研究

1.4 基于DSP的数字控制技术在电力电子中的应用

1.5 本课题的选题意义和主要工作

2 双向全桥DC/DC变换器

2.1 双向全桥DC/DC变换器的工作原理

2.1.1 主电路拓扑结构

2.1.2 变换器的工作原理

2.2 PWMDC/DC全桥变换器的控制策略

2.2.1 双极性控制方式

2.2.2 有限双极性控制方式

2.2.3 移相控制方式

2.3 移相控制ZVS全桥DC/DC变换器的工作原理

2.4 主电路中高频变压器偏磁问题的研究

2.4.1 串联隔直电容解决全桥DC/DC变换器变压器偏磁问题

2.4.2 隔直电容的参数计算

2.5 本章小结

3 双向DC/DC变换器主电路设计

3.1 高频变压器的设计

3.1.1 磁芯材料的选取

3.1.2 磁芯的选择

3.1.3 高频变压器原副边变比及匝数

3.2 谐振电感值

3.3 主功率管的选择

3.4 主电路仿真分析

3.4.1 降压模式时

3.4.2 升压放电时

3.5 功率驱动电路设计

3.5.1 功率MOSFET驱动电路特点

3.5.2 功率MOSFET驱动电路的要求

3.5.3 硬件电路的设计

3.6 检测电路设计

3.7 保护电路设计

3.8 本章小结

4 数字控制及基于DSP的控制电路的设计

4.1 开关电源系统中的数字控制技术综述

4.1.1 数字分辨率问题

4.1.2 数字控制环路延迟问题

4.2 数字控制器及外围硬件电路设计

4.2.1 DSP芯片的发展

4.3 基于DSP TMS320F2812的数字控制系统结构

4.4 反馈信号调理电路设计

4.5 双向DC/DC数字化控制的软件实现

4.5.1 移相脉冲的形成

4.5.2 增量式数字PI控制算法的实现

4.6 数字控制程序结构

4.7 本章小结

5 实验结果分析

5.1 降压工作模式

5.2 升压工作模式

5.3 本章小结

6 全文总结

致谢

参考文献