程 立

(中國(guó)船舶重工集團(tuán)公司第七二三研究所，江蘇 揚(yáng)州 225101)

0 引 言

近幾十年來(lái)，隨著電力電子技術(shù)和控制理論的飛速發(fā)展，電力電子產(chǎn)品得到了更為廣泛的應(yīng)用。為了設(shè)計(jì)出效率高、成本低、可靠性高的電力電子產(chǎn)品，高頻化、軟開關(guān)技術(shù)和數(shù)字控制器已經(jīng)成為了電力電子技術(shù)發(fā)展的主要趨勢(shì)。

高頻化是通過(guò)增大開關(guān)器件的頻率來(lái)實(shí)現(xiàn)提高電源的功率密度，減少變壓器的體積和成本。但是，高頻化后開關(guān)管的開通和關(guān)斷損耗隨之增加。在此基礎(chǔ)上軟開關(guān)技術(shù)能夠減少功率開關(guān)管的關(guān)斷損耗，但與此同時(shí)一般需要增加輔助電路來(lái)實(shí)現(xiàn)軟開關(guān)功能，加大了系統(tǒng)設(shè)計(jì)的復(fù)雜度。相對(duì)于模擬電源，數(shù)字電源具有設(shè)計(jì)周期短、靈活多變、易實(shí)現(xiàn)模塊化管理等優(yōu)點(diǎn)。數(shù)字電源[1]通過(guò)軟件編程來(lái)實(shí)現(xiàn)環(huán)路控制以及狀態(tài)監(jiān)控，具備可擴(kuò)展性和重復(fù)使用性，用戶可以通過(guò)修改程序參數(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)多種環(huán)路設(shè)計(jì)。

本文采用UCD3138數(shù)字電源控制芯片實(shí)現(xiàn)移相全橋拓?fù)涔δ堋CD3138是一種高性能數(shù)字電源控制芯片，具備強(qiáng)大的數(shù)字控制和通訊功能，完全可編程。通過(guò)對(duì)環(huán)路的模-數(shù)轉(zhuǎn)換模塊ADC、數(shù)字脈沖調(diào)制模塊DPWM和環(huán)路補(bǔ)償器PID進(jìn)行設(shè)計(jì)，減少對(duì)外圍無(wú)源器件的需求，降低參數(shù)漂移引起誤差的可能性，提高了環(huán)路控制響應(yīng)的穩(wěn)定性和可靠性，對(duì)實(shí)際環(huán)境中電源設(shè)計(jì)具有指導(dǎo)意義。

1 基于UCD3138的數(shù)字電源設(shè)計(jì)

移相全橋 DC-DC 變換器應(yīng)用廣泛[2-3]，屬于軟開關(guān)電路的范疇。它的特點(diǎn)是電路簡(jiǎn)單，同硬開關(guān)全橋電路相比，僅僅在高頻變壓器原邊增加一個(gè)諧振電感就使得電路中4個(gè)功率開關(guān)管均能實(shí)現(xiàn) ZVS。

1.1 移相全橋拓?fù)浞治?/h3>

本文基于UCD3138控制芯片采用移相全橋拓?fù)湓O(shè)計(jì)[4-5]，實(shí)現(xiàn)輸入400 VDC，輸出12 VDC，電流30 A，滿載輸出時(shí)紋波不大于100 mV。本文移相全橋電源主要包括移相全橋拓?fù)浜铜h(huán)路控制兩個(gè)方面。下文分別對(duì)這兩個(gè)方向進(jìn)行分析。

本文采用的電路拓?fù)錇橐葡嗳珮騕6]，其拓?fù)渚W(wǎng)絡(luò)如圖1所示。

理想移相全橋功率開關(guān)管的驅(qū)動(dòng)波形如圖2所示。

移相全橋 DC-DC變換器的每個(gè)工作周期可以分為 14個(gè)時(shí)區(qū)，其中t0～t7和t7～t0的工作過(guò)程完全相同，故下面主要討論t0～t7時(shí)間段變換器的工作過(guò)程。

t0～t1時(shí)間段：Q1與Q4同時(shí)導(dǎo)通，這段時(shí)間直流電壓源通過(guò)高頻變壓器對(duì)輸出電容充電。

t1～t2時(shí)間段：Q1關(guān)斷，Q1與Q2的寄生電容C1與C2參與工作，C1兩端電壓從0 V充電到Vbus，C2兩端電壓從Vbus到0 V。

t2～t3時(shí)間段：從t2時(shí)刻開始，Q2的續(xù)流二極管開始續(xù)流，直流電壓源不參與工作，輸出電容為負(fù)載供電。

t3～t4時(shí)間段：t3時(shí)刻關(guān)斷Q4，Q3和Q4的寄生電容C3和C4參與電路工作。

t4～t5時(shí)間段：從t4時(shí)刻開始，高頻變壓器開始強(qiáng)迫換流，副邊整流二極管全部導(dǎo)通，原邊不能向副邊傳遞能量，即出現(xiàn)占空比丟失的現(xiàn)象。

t5～t6時(shí)間段：在t5時(shí)刻，Q3的續(xù)流二極管開始續(xù)流，t6時(shí)刻高頻變壓器原邊電流將為0。

t6～t7間段：在t6時(shí)刻高頻變壓器原邊電流降為0后反向，Q2和Q3工作。

1.2 UCD3138控制芯片

UCD3138是Texas Instruments公司推出的一款數(shù)字電源控制芯片。UCD3138基于ARM7TDMI-S微控制器(32位，31.25MHz)，能夠進(jìn)行實(shí)時(shí)電路參數(shù)采樣，通訊和環(huán)路配置。UCD3138具備高集成度、高可靠性和最低總系統(tǒng)成本等優(yōu)點(diǎn)，并且能夠靈活支持大量控制方案和拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。

移相全橋環(huán)路控制主要包括環(huán)路補(bǔ)償和狀態(tài)監(jiān)測(cè)兩個(gè)方面。UCD3138的控制核心是3個(gè)數(shù)字電源外設(shè)單元。每個(gè)單元可以根據(jù)8路DPWM輸出進(jìn)行參數(shù)配置。它們包含差分誤差A(yù)DC(EADC)，兩個(gè)內(nèi)置2極點(diǎn)和2零點(diǎn)PID控制補(bǔ)償器。數(shù)字控制環(huán)路結(jié)構(gòu)圖如圖3所示。

UCD3138的數(shù)字控制核心是3個(gè)數(shù)字電源外設(shè)(DPP)，每個(gè)DPP都有一個(gè)專用高速的誤差模數(shù)轉(zhuǎn)換器(EADC)、基于PID的雙極點(diǎn)/雙零點(diǎn)數(shù)字補(bǔ)償器以及高精度DPWM輸出組成。同時(shí)，UCD3138內(nèi)置267 ksps，12位的通用模-數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)定時(shí)器，中斷控制器，JTAG調(diào)試和PMBus或UART通訊接口。UCD3138提供32 KB的編程flash、2 KB的數(shù)據(jù)flash、4 KB的RAM和4 KB的ROM。通用ADC能夠?qū)φ麄€(gè)電路節(jié)點(diǎn)的電源狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)控，并且通過(guò)PMBus和UART與上位機(jī)進(jìn)行實(shí)時(shí)通訊，實(shí)現(xiàn)電源單元在線測(cè)試。UCD3138主要通過(guò)PMbus與上位機(jī)進(jìn)行通訊和固件燒寫，TI提供了相關(guān)PMbus協(xié)議，可以通過(guò)該協(xié)議對(duì)UCD3138電源功能進(jìn)行擴(kuò)展與補(bǔ)充。

2 環(huán)路控制分析與仿真

本文電路主要采用UCD3138控制芯片，其基本控制主要基于PID環(huán)路控制理論[7]。TI提供了上位機(jī)軟件可以對(duì)UCD3138環(huán)路參數(shù)進(jìn)行簡(jiǎn)單的設(shè)置和分析，同時(shí)對(duì)電源單元的狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)控，其上位機(jī)軟件界面如圖4所示。

2.1 控制環(huán)路設(shè)計(jì)

PID控制理論是一個(gè)非常成熟的控制理論，具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、易于實(shí)現(xiàn)等特點(diǎn), 其控制器早已被廣泛應(yīng)用于各類系統(tǒng)的控制中。本小節(jié)主要對(duì)UCD3138內(nèi)置數(shù)字環(huán)路控制策略進(jìn)行分析與仿真。UCD3138內(nèi)置3路獨(dú)立PID控制模塊(control-law algorithm, CLA)，在z域的表達(dá)式為

(1)

通過(guò)雙線性變換得到s域公式為

(2)

上述公式有兩個(gè)零點(diǎn)和一個(gè)極點(diǎn)，K0K0是頻域原點(diǎn)的增益。

UCD3138的反饋環(huán)路內(nèi)置一個(gè)低通濾波器，低通濾波器增加了一個(gè)極點(diǎn)。

(3)

閉環(huán)傳遞函數(shù)為

(4)

式(4)是移相全橋功率模塊電路的傳遞函數(shù)。根據(jù)式(4)得到UCD3138內(nèi)部PID控制寄存器參數(shù)設(shè)置數(shù)值。

(5)

(6)

(7)

(8)

PID參數(shù)影響如下：其中增加KP推高兩個(gè)零點(diǎn)之間的增益，使其遠(yuǎn)離；增加KI推高低頻段積分曲線，提供更高的低頻增益，第1個(gè)零點(diǎn)將往右移；增加KD將使第2個(gè)零點(diǎn)向左平移，但不影響第2個(gè)極點(diǎn)。UCD3138通過(guò)配置寄存器實(shí)現(xiàn)對(duì)PID反饋環(huán)路的控制，其PID濾波器采用二進(jìn)制算法，其配置方式如圖5所示。

在濾波器下一級(jí)進(jìn)行數(shù)值處理，其流程圖如圖6所示。

最后，將PID輸出與DPWM輸入相匹配，實(shí)現(xiàn)移相全橋PWM波輸出。

2.2 實(shí)驗(yàn)仿真結(jié)果

根據(jù)上述控制原理，通過(guò)matlab的Simulink實(shí)現(xiàn)對(duì)移相全橋的電路仿真，如圖7所示。

觀測(cè)輸出，得到如圖8所示波形。對(duì)反饋環(huán)路進(jìn)行波特圖分析，可以得到如圖9所示圖形。

通過(guò)圖9可以看出，通過(guò)環(huán)路補(bǔ)償，整個(gè)模塊的增益得到提高，且環(huán)路穿越頻率遠(yuǎn)小于工作頻率，電源能夠穩(wěn)定工作。依據(jù)上述硬件設(shè)計(jì)過(guò)程和軟件控制環(huán)路參數(shù)，搭建試驗(yàn)樣機(jī)，編寫控制程序，對(duì)UCD3138數(shù)字電源模塊輸出電壓進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。通過(guò)實(shí)際電路應(yīng)用，得到移相全橋控制波形如圖10所示。

圖10中，通道1、2、3、4分別為Q1、Q2、Q3、Q4控制波形，其時(shí)序滿足移相全橋工作條件，符合預(yù)期。電源啟動(dòng)和關(guān)閉波形如圖11所示。電源波形建立穩(wěn)態(tài)時(shí)間22 ms，關(guān)閉時(shí)由于負(fù)載電容的原因需要1.4 s。從建立穩(wěn)態(tài)到關(guān)閉電源過(guò)程中，輸出電壓恒定，波形沒(méi)有較大波動(dòng)，證明了電源在開關(guān)機(jī)時(shí)的穩(wěn)定性。移相全橋輕載時(shí)輸出波形和紋波波形如圖12所示。

移相全橋滿載輸出波形和紋波波形如圖13所示。

圖12(a)和圖13(a)表明當(dāng)負(fù)載從輕載變?yōu)闈M載時(shí)輸出電壓波形浮動(dòng)較小，電源輸出穩(wěn)定；圖12(b)和圖13(b)表明當(dāng)電源負(fù)載從空載變?yōu)闈M載時(shí)其紋波大小始終在50 mV以內(nèi)，遠(yuǎn)小于輸出電壓12 V，動(dòng)態(tài)負(fù)載和大功率負(fù)載情形下輸出波形失調(diào)小，輸出穩(wěn)定，證明該控制環(huán)路調(diào)節(jié)效果好，滿足設(shè)計(jì)需求。

3 結(jié)束語(yǔ)

本文基于UCD3138對(duì)移相全橋拓?fù)溥M(jìn)行了實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，對(duì)PID環(huán)路補(bǔ)償進(jìn)行了分析與驗(yàn)證，完成了符合要求的數(shù)字電源設(shè)計(jì)。實(shí)驗(yàn)表明，本文設(shè)計(jì)的移相全橋輸出電源穩(wěn)定，紋波較小，動(dòng)態(tài)響應(yīng)迅速，環(huán)路控制穩(wěn)定，上位機(jī)控制簡(jiǎn)便易行，是一款高性能、高效率的數(shù)字電源，具有良好的前景。