（电力电子与电力传动专业论文）基于arm控制的新型零电压零电流全桥dcdc变换器的研制.pdf

江苏大学硕士研究生论文 a b s t r a c t s o m s 惭t c h i n gt e c h n i q u ei sah o t s p o to fp o 、袱e l e c t r o n i c s e a r e h n st h ek e y t e e l m i q l i e i i lh i g h 姻u e n e ya n dh i g l ld e n s i t yc o n v e r t e r w 曲t h ea d v e n to f n l i c r o p d 0 c e s r ，t h e r eh a sb e e n 趾m c r e a s e di n t c l _ e s ti nd i g i t a lc o 曲r o lo fs 毗hm o d e p o w 盱s u p p l y ，i n s t e a do fa n a l o gc o n 仃0 1 t h ed i g i t a lc o n 仃o l s c h e m eh a sm a n y m v a m a g e si i ls i m p l i f r i n gt h ec o n 扛o le i r e u i t ，i m p r o v i n gt h e 枷一m t e r f e r e n c e 曲i l i 可， c o n t r o lp r e c i s i o na n df l e x i b i f i t y ，g e r a la n di i l t c l l i g c ml e v e l an o v dz v z c s c o n v e n c ri sp r o p o s e du s i n gac o u p l e do u t p u tm d u e t o r , w l d c hi sd i g i t a lc o n 仰l i e d t h ep r i n c i p l eo ft h e v e lc o n v e t t e ri sa n a l y z c d ，a n d 坨f o u n d a t i o m “ p a r a m e t e r d e s i 弘黜p r e s e n t e d f u r t h e r m o r e ，p a l a m e t e re a l e u l a t i o nf o r m d 鹪a l d i f f e r e n tm o d 昭a d e d u c e d ad i g i t a lc o n t r o ls y s t e mb a s e do na r m ( l p c 2 2 1 c o n t r o l l e ri s d 髓i g n e da n d 删e v et h eo u t p u to fp h a s e s l a i t t i n gp w ms i g n a l a s i m u l a t i o ni sp e r f o r m e df o rt h ec o n v c r t e r 璐啦p s p i c e 9 2 ，a n dd i 虢黝tp a r a m e t e 墙 e f f e c t so np e r f o r m a n c eo fc o n v c r t c ra r ea l l a l y z e d az v z c s 航s m t e h i n gp o w e r s u p p l y 讹l k wb a s e do nt h i st o p o i o g ya n dd i g i t a lc o m r 0 is t r a 嘲i sd e v e l o p e d a n dt h ed 豁i g no fm a i n , c o n 打o l ，d r i v e sa n dp r o t e c t i o nc i r c i l i t sa 糟p r e n t e d l a s t l y , w o r k i n g w a v e f o r m so f t h eo o n v e r t e ra m e 鹅u r e do nt h ep r o m t y p e n f ya n a l y s i sa n dc x p e r i m e n t sh a v es h o w e dt h a tt h i sn o v e lc o n v c r t e rc 雏m a l i z c z v s o f l c a d i n g l e g sa n dz c so f l e g g i n g l e g s a sa d o p t i i l ga r m t oc a r r ) ro nt h e d i g i t a lc o n t r o l ，i ti sq u i c k e r , s t e a d i c r ，m o 陀f l e x i b l et h a nt h et r a d i t i o n a la n a l o gc o m r o l ， a n dt h ec i r c m t si ss i m p l c r , e t e 。nc r e a t 鼯t h ef o m d a t i o nf o rm ec a r r y i n go u to f t l l e m t e l l i g e n td i g i t a lp o w 盯s u p p l y s ot h i sn o v e lc o n v c l l c rh a saw i d ea p p l i c a t i o na n d h u g ee c o n o m ye f f e c t mp o w e rc o n v e r t i n gf i e l d k e y w o r i o $ ：s o f i - s 、i t c h i n g z v z c sp h a s e s i i f i c da r ml p c 2 2 1 0 f d l b r i d g ec o n v e r t e r 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定， 同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版， 允许论文被查阅和借阅。本人授权江苏大学可以将本学位论文的全部 内容或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫 描等复制手段保存和汇编本学位论文。 保密口，在年解密后适用本授权书。 本学位论文属于 不保密l g 。 学位论文作者签名；t 节吲 签字日期：2 0 0 7 年扣z 伯 学位论文作者毕业后去向： 工作单位：电话： 通讯地址：邮编： 导师签名： 刘星析 j 签字日期：2 0 0 7 午f ，月加 独创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独立进 行研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容以外，本论文 不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品成果。对本文的 研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人 完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 嚣竺箸耄翥粥日期：2 0 0 7 年j r 月谐日 扛苏大擘硕士研究生论文 第一章绪论 随着电力电子技术的高速发展，电子系统的应用领域越来越广泛，任何电 子设备都离不开可靠的电源，要求也越来越高。电子设备的小型化和低成本化 使电源以轻、薄、小和高效率为发展方向。 功率变换器( p o w e rc o n v e r t e r s ) 是开关电源的核心部分，为了实现电源装置的 高性能、高效率、高可靠性、减小体积和重量，必须实现开关管的软开关( s o f t s w i t c h i n g ) 。软开关变换技术是近年来电力电子学领域中的热门话题，软开关技 术的深入研究及广泛应用，使电力电子变换器的设计出现了革命性的变化“”。 随着d s p 、a r m 等电子芯片的小型化、高速化，开关电源的控制部分正在向着 数字化方向发展。数字化使开关电源控制部分的智能化、零件的共通化、电源动 作状态的远距离监测成为可能脚。 1 1 软开关功率变换器 1 1 1 软开关功率变换器概述 功率变换器最常用的控制方式为脉宽调制( p u l s ew i d t hm o d u l a t i o n , p w m ) 。 d c - d cp w m “硬开关”的功率开关管在导通或关断时，器件上的电压和电流不等 于零，是以中断功率流通和控制占空比的方法来变换功率的。由于开关元件的非 理想性，其状态变化需要一个过程即开关元件上的电压和电流不能突变，因此， 电压和电流在变化过程中产生了交叉重叠，导致了开关元件的开关损耗。随着频 率的提高，这种开关损耗随之增加，降低了变换器的整体效率，同时还表现出了 其它固有的缺陷：电路的寄生电感和开关器件的寄生电容在高频时产生严重的高 压尖峰和浪涌电流，使得开关元件承受的开关应力增大，要求更大的安全工作区： 同时较大的动态电压，电流应力还会产生很大的电磁干扰( e l e c t r o m a g n e t i c i n t e r f e r e n c e , e m i ) ，是变换器噪声的主要来源；且桥式电路的上下桥臂容易发 生短路。但高频化又是功率变换器的发展趋势，高频化可以使变换器的体积、重 量大为减小，为小型化和模块化创造条件，从而提高开关变换器的功率密度，提 皿苏大攀硕士研究生论文 高设备的集成化程度，节省原材料并提高性价比。此外，提高开关频率也有利于 降低开关电源的音频噪声和改善动态效应。为此，必须研究电压和电流不交叠的 技术，即零电压开关( z v s ) 和零电流开关( z c s ) 技术，或称软开关技术吲。 2 0 世纪9 0 年代，3 0 a 4 8 v 开关变换器采用移相全桥z v s p w m 技术后，重 量比用p w m 技术的同类产品下降了4 0 。软开关技术的开发和应用提高了开 关电源的效率，最近国外小功率d c d c 开关电源模块( 4 8 w 1 2 a ) 总效率可达 到9 6 ；国内生产的通信用5 0 1 0 0 a 输出、全桥移相z v z c s - p w m 开关电源 模块的效率超过9 3 嘲。 几十年来，高频软开关技术得到了迅猛的发展和应用，大致经历了以下几个 阶段： 1 ) 诣振变换器( r e s o n a n tc o n v e r t e r ) 应用谐振原理，使开关变换器的电流( 电压) 按正弦规律变化，当开关管电流 自然过零时，开关管关断：开关管电压为零时导通。谐振变换器一般应用于大功 率，输入电压较窄的场合。串联谐振变换器适用于高电压、小电流；并联谐振变 换器适用于低电压、大电流。在谐振变换器中，谐振元件一直谐振工作，参与能 量变换的全过程，该变换器与负载的关系很大，对负载的变化很敏感，一般采用 频率调制方法，不利于高频变压器、输入和输出滤波器的设计。 2 ) 准谐振或多谐振技术( q u a s i - r e s o n a n tc o n v e r t e r , q r c ) 谐振变换器( q r c ) 实现了软开关，提高了开关频率，降低了开关损耗，但其 输出电压与开关频率有关，为保证输出电压不变，必须采用变频调制。因此，控 制方式不如p w m 变换器简单，且变压器、电感等元件的最低频率设计不易实现。 3 ) 零开关p w m 变换器( z e r o - s w i t c h i n gp w l v lc o n v e r t e r ) z v s ( z e r o - v o l t a g e - s w i t c h i n g ) p w m 和z c s ( z e r o - c u r r e n t - s w i t c h i n g ) p w m 是在 均实现恒频控制，但谐振电感在主回路中，z v s 条件和z c s 条件均与电网电压、 负载变化有关。前者电流应力小，但电压应力大；后者主开关电压应力小，但二 极管d 电压应力大。 舢移相控制全桥变换器 移相控制全桥z v sp w m 变换器可将开关频率提高至0 5 m i m i - i z 级水平， 利用功率m o s 管的输出电容和输出变压器的漏感作为谐振元件，使全桥p w m 变换器四个开关管依次在零电压下导通，实现恒频软开关。但是，由于滞后桥臂 2 扛苏太擘项士研究生论文 开关实现z v s 主要靠变压器漏感储能，轻载时不易满足z v s 条件。同时，在输 出能量的开始时，会发生占空比丢失现象，造成开关损耗严重。 鉴于p s f b z v s p w m 变换器的滞后臂不易满足z v s 条件，2 0 世纪9 0 年 代初开发了一种p s - f b - z v z c sp w m 变换器。p s f b - z v z c sp w m 变换器中为 实现滞后桥臂z c s 而在原边串联了饱和电感，而非线性电感就是用来减小占空 比的丢失。其开通和关断损耗几乎为零，满足软开关条件的负载和输入电压变化 范围很宽，效率和功率密度高。 5 )零转换p w m 变换器 z v t 和z c t 是分别在z v s - p w m 和z c s p w m 变换器的基础上，将谐振网 络与主开关管并联而成。与z v s p w m 和z c s p w m 变换器相比，它们能在更 宽的电源电压和负载范围内满足零开关条件，但是这种交换器需要的元器件成倍 增加，大大增加了成本和控制难度，而且辅助开关的电流应力大。 6 )广义软开关p w m 技术 通常把利用吸收电路技术，减小p w m 变换器开关损耗，提高电路效率的过 程称为开关过程软化，这种技术称为广义软开关p w m 技术。比如，可以在开关 交换器的功率开关管上并联箝位电路( c l a m p ) ，就是采用并联吸收电路抑制电力 电子系统的开关浪涌电压或电流，从而提高电路的效率。也可采用有源箝位网络， 使得谐振电压、电流幅值约束在一个较小的范围内，减小了开关的电压、电流应 力，提高了开关的可靠性，同时使得励磁电流可以双向流动，提高了变压器的利 用率，易于减小其体积。 1 1 2 全桥软开关工作原理 软开关p w m 技术的基本思想是在常规p w m 变换器拓扑基础上，附加一个 谐振网络，谐振网络一般由谐振电感、 谐振电容和功率开关组成，利用谐振原 理使开关周期中开关管的电流( 或两端 电压) 按正弦或准正弦规律变化。电压 和电流的波形错开，从而使开关损耗理 论上降到零”1 ，如图1 1 所示；同时谐图1 1 硬、软开关波形比较 江苏太擘硕士研究生论文 振参数中吸收了高频变压器漏抗、电路中寄生电感和功率器件的寄生电容，可以 消除高频时产生的电压尖峰和浪涌电流。达到降低器件开关应力，消除电磁干扰 和电源噪声以及提高变换器的可靠性和效率等目的。可见软开关p w m 技术既保 持了p w m 技术的特点，又实现了软开关，所以软开关变换器一直是电力电子技 术领域中的热点研究方向之一伽。 软开关技术在改善功率开关器件工作状态方面效果明显，使变换器的高频 化成为可能。p w m 控制方式是软开关变换器中应用最广泛的控制方式，此类变 换器适于中小功率应用场合。移相全桥软开关变换器在增加很少元件的情况下，。 实现了开关器件豹软开通和软关断，而且采用恒频方式，电压电流应力小，大大 方便了磁性元件的优化设计，有效地减小了变换器的体积和重量，功率变压器的 利用率高，同时在降低电磁干扰方面效果明显，因而全桥软开关变换器适于中大 功率应用场合御。其基本拓扑形式如图1 2 所示。 c 吒 o 巧，2 圈1 2 全桥电路基本拓扑及主要波形 是输入直流电压，s t & d i s 4 & d 4 构成两个桥臂，开关管可以在k 、厶、 c l 。、c 2 c 、副边耦合电感等的谐振作用下实现软开关。如果我们让s 2 、s 4 在移 相时滞后，则我们又可以把s 卜s 3 称为超前桥臂，s 2 、s 4 称为滞后桥臂，高频 变压器t x ! 原副边变比为k ，d r ，和d r ，是输出整流二极管，三，是输出滤波电 感，c r 是输出滤波电感，也是负载。 软开关全桥电路的基本原理是：直流电压圪经过s s & d r s 4 & d 4 组成的全 桥开关变换，在变压器的原边得到交流方波电压，该电压经过变压器的电压变换 得到交流方波电压，k ，再经过输出整流管将其整成直流方波，足， d 和 4 扛苏大学硕士研究生论文 c r 组成输出滤波器将这个直流方波电压中的高频分量滤波，在输出端得到平滑 的直流电压，其电压值为圪= 。睾其中。是占空比，。= 丢，乙是导通 时间，是开关周期，通过调节占空比来调节输出电压圪。 1 1 3 软开关全桥变换器控制策略 软开关全桥电路的控制方式一般分成四种：双极性控制方式、有限双极性控 制方式、不对称控制方式、移相控制控制方式嘲，如图1 3 所示。 岛凡 屯 黾巩 码 _ 1 l ： 广r _ 7 ( a ) 双极性控制方式 厂 一 ： 一 i 广 r _ 7 。 广 广 r _ 一 il t 一 ( b ) 有限双极性控制方式 广 一 r 广 i 厂却： 厂巾 r _ ( c ) 不对称控制方式( d ) 移相控制控制方式 图1 3 全桥电路四种不同的控制方式 1 ) 双极性控制方式：斜对角的两只开关管s l & s 4 和s 2 & s 3 同时开通和关断， 开通时问不超过半个周期，即导通角不超过1 8 0 0 2 ) 有限双极性控制方式：在正半周期中，s l 一直开通，s 4 只开通一段时间； 负半周期中，s 3 一直开通，而s 2 只开通一段时间，由于s 4 ，s 2 分别在s l ，s 3 之 前关断，可定义s 4 ，s 2 为超前桥臂，s l ，s 3 为滞后桥臂。 3 ) 不对称控制方式：斜对角的两只开关管s l s 4 和s 2 & s 3 同时开通和关断， 与1 ) 中不同的是，该方式中开通和关断是互补的。且s l & s 4 的开通时问和$ 2 8 s 3 的开通时问是不一样的，因此变压器两端的交流方波电压不对称。 4 ) 移相控制控制方式：每个桥臂的两个开关管1 8 0 0 互补导通，两个桥臂的 开关管导通相差一个相位，即所谓移相角。两个有一个相位差的电压叠加后输送 江苏大学硕士研究生论文 给负载，通过调节移相角的大小来调节输出电压。由于s i ，s 3 的驱动信号分别 超前于s 2 ，s 4 ，可定义s l & s 3 为超前桥臂，s 2 & s 4 为滞后桥臂。 从控制策略来看，其可以归纳为两类： 1 ) 斜对角的两只开关管同时关断，控制方式( a ) 、( c ) 属于此类，般不能实 现软开关。 2 ) 斜对角的两只开关管关断时间错开，一只先关断，一只后关断，控制方 式c o ) 、( d ) 属于此类，适宜实现软开关。 根据四种开关管的导通情况不同，d c 仍c 全桥变换器存在+ l ，0 ，1 三种工 作状态，参照图1 2 ，定义如下： 1 ) + 1 状态：s l 和s 4 同时导通，加在口两点上的电压为正的输入电压，即 p 0 = ( + 1 ) 圪，定义这种工作状态为+ l 状态。 2 ) 0 状态：s l ( d o 和s 2 ( d 2 ) 或者s 3 ( d 3 ) 和s 4 ( d 4 ) 同时导通，p 么= ( o ) 。 3 ) 1 状态；s 2 和s 3 同时导通，= ( 一1 ) 。 1 1 4 移相控制d c d c 全桥软开关功率变换器 传统的全桥( f u l i - b r i d b ) p w m 变换器适用于输出低电压、大功率的 情况，以及电源电压和负载电流变化范围大的场合。其特点是开关频率固定，便 于控制。为了提高交换器的功率密度，减少单位输出功率的体积或重量，需要将 全桥p w m 变换器开关频率提高到0 5 m h z - i m h z 级水平。为了避免开关过程中 的损耗随频率增加而急剧上升，采用移相( p h a s e s h i f t e dc o n l r o l ，p s c ) 的控制方 式，为了优化输出滤波器，须采用恒定频率控制，即采用脉宽调制( p u l s ew i d t h m o d u l a t i o n , p w m ) 控制方案“。 移相控制p w md c d c 全桥软开关功率交换器主要有零电压和零电流两 种。移相控制零电压开关p w m 变换器( p s f b z v s - p w mc o n v e r t e r ) 是利用在 o ”状态时开关管的结电容和高频变压器的漏感( 或漏感与输出滤波电感折算到 原边值之和) 谐振，高频变压器的漏感储能对功率开关管两端寄生电容( 或并联 电容) 充、放电，在开关管两端电压下降到零使得其反并联的二极管导通之后开 通开关管，实现零电压开通；又关断时电容电压不能突变，从而实现开关管零电 压关断。z v s 有效地降低了电路的开关损耗和开关噪声；减少器件开关过程中 6 江苏大学硕士研究生论文 的e m i ，为变换器装置提高开关频率、效率、减小尺寸及重量创造了条件；同时 还保持了常规全桥p w m 电路的拓扑简洁、控制方式简单、开关频率恒定、元器 件应力小等一系列优点。非常适合于高频、大功率、开关器件采用m o s f e t 的 应用场合m ”4 。但该电路拓扑有如下缺点： 1 ) 滞后臂开关管在轻载的条件下难以实现零电压开关； 2 ) 原边有较大的环流，增加了系统的通态损耗； 3 ) 存在较大的副边占空比丢失； 4 ) 输出整流二极管为硬开关，反向恢复时造成很大的电压、电流尖峰，开 关损耗大。 虽然针对以上缺陷，提出了许多改进的方法，如加入原边电感、增加变压器 的励磁电流、采用辅助电路等，但是这些都不能解决较大的原边环流问题“”4 。 另外近年来，绝缘栅双极性晶体管( i n s u l a t e dg a t eb i p o l a rt r a a s i s t o r ，i g b t ) 比 m o s f e t 有更高的耐压值、更低的通态损耗、较大的功率密度和较低的成本， 更适合于高压大功率的场合。但i g b t 在关断时有较长的电流拖尾，造成关断损 耗大，如果能做到零电流关断，i g b t 在关断之前少数载流子就已经复合完毕， 那么i g b t 将基本上不存在关断损耗。所以移相控制零电压零电流开关p w m 交 换器( p s f b - z v z c s p w m ) 变换器应运而生，超前桥臂开关管和传统z v s 变 换器一样实现零电压开关，在o ”状态期间，使原边电流复位，实现滞后桥臂开 关管z c s 开关，从而解决了f b - z v s p w m 变换器中诸多问题。这种变换器的共 同特点是；超前桥臂并联有吸收电容，用来实现z v s 开关；滞后桥臂不能并联 吸收电容；原边电流没有环流，减小了通态损耗，有利于提高变换器效率“”。 可见z v z c s 的关键是在o ，状态时使原边电流复位，常用方法有以下三种： 1 ) 利用超前臂开关管的反向雪崩击穿，使存储在变压器漏感中的能量完全 消失在超前臂的i g b t 中，为滞后臂创造z c s 开关条件； 2 ) 在变压器原边使用隔直电容和饱和电感，在原边电流过零期间，将隔直 电容上的电压作为反向阻断电源使原边电流复位，为滞后臂提供z c s 。开关条件； 3 ) 在变压器副边输出端并联电容，在原边电压过零期间，将副边电容上电 压反射到原边作为阻断电源，从而复位原边电流，实现滞后臂z c s 开关。该方 式拓扑非常新颖灵活，优点很多，本文将重点讨论。 7 江苏大擘硕士研究生论文 1 2 嵌入式a r m 处理器 什么叫嵌入式系统? 广泛接受的定义为：以应用为中心，以计算机技术为基 础，软硬件可裁剪，从而能够适应实际应用中对功能、可靠性、成本、体积、功 耗等严格要求的，嵌入于各种设备及应用产品内部的专用计算机系统。简单的说 就是系统的应用软件与硬件一体化。它一般由嵌入式微处理器、外围硬件设备、 嵌入式操作系统以及用户的应用软件等四个部分组成，用于实现对其他设备的控 制、监视或管理等功能嘲。 嵌入式系统的核心部件是嵌入式处理器，和工业控制计算机相比，嵌入式微 处理器具有体积小、重量轻、成本低、可靠性高的优点，目前主要有a r m 、m i p s ， a m l 8 6 8 8 、3 8 6 e x 、p o w e rp c 系列等。 a r m ( a d v a n c e dr i s cm a c h i n e s ) ，既是一个公司的名称，也可以认为是对 一类微处理器的通称，还可以是一种技术的名字。目前，a r m 微处理器及技术 的应用几乎已深入到各个领域，包括工业控制、无线通信、网络应用、消费类电 子产品、手持设备、智能仪表、智能家电、成像和安全产品等。 灿u 讧微处理器一般具有如下特点： a 、体积小，功耗低、成本低、功能强大； b 、支持t h u m b ( 1 6 位) a r m ( 3 2 位) 双指令集，能很好的兼容8 位1 6 位器件l c 、大多数数据操作都在寄存器中完成，指令执行速度更快； d 、指令长度固定，寻址方式灵活简单。执行效率高； e 、全球众多公司保证芯片供应。 a r m 微处理器目前包括a l t m 7 、a i 姒9 、a r m 9 e 、a r m l 0 、s e c u r c o r e 、i n t e l 公司的s t r o n g a r m 和x s c a l e 系列等。其中a r m 7 、a r m 9 、a r m 9 e 、a r m i o 为4 个通用微处理器系列，每个系列提供一套相对独特的性能来满足不同应用 领域要求。 a r m 7 系列微处理器为低功耗的3 2 位r i s c 处理器，最适合用于对价位和 功耗要求较高的应用场合，该系列具有如下特点： 一具有嵌入式i c e - - r t 逻辑，调试开发方便。 一极低的功耗，适合对功耗要求较高的应用，如便携式产品。 8 江苏大擘硕士研究生论文 一能够提供o 9 m i p s 厅讧h z 的三级流水线结构。 一对操作系统的支持广泛，包括w i n d o w sc e 、l i n u x 、p a l mo s 等。 一指令系统与a r m 9 系列、a r m 9 e 系列和a r m l 0 e 系列兼容，便于用户 的产品升级换代。 一主频可高达1 3 0 m i p s ，高速的运算处理能力能胜任绝大多数的复杂应用。 a r m 7 系列微处理器包括如下几种类型的核；a r m 7 ) m i 、a r m 7 t d m i - s 、 a l l m 7 2 0 t 、a r m 7 e j 。其中，a r m 7 t m d i 是目前使用最广泛的3 2 位嵌入式r j s c 处理器，属低端a r m 处理器核。t d m i 的基本含义为： t ：支持1 6 位压缩指令集t h u m b ； d ：支持片上d e b u g ； m ：内嵌硬件乘法器( m u l t i p l i e r ) i ：嵌入式i c e ，支持片上断点和调试点； 本设计所采用的p h i l i p s 公司的l p c 2 2 1 0 控制器即属于该系列的处理器。 1 , 3 数字化开关电源概述 传统的电源都采用模拟控制系统，经过多年的发展，已经非常成熟。然而， 模拟控制有着固有的缺点：需要大量的分立元件和电路板，元器件数量很多，制 造成本比较高；大量的模拟元器件使其之间的连接相当复杂，从而使系统的故障 检测与维修比较困难；控制精度低，动态响应慢，参数整定不方便，温漂严重， 容易老化等，这些因素都会影响控制系统的长期稳定性。 专用模拟控制集成芯片的使用大大简化了控制系统，提高了开关频率，但是 其控制环路中的反馈控制网络仍需外接大量的电容电阻等模拟器件。除存在以上 所述模拟控制的固有缺点外，专用芯片的功耗较大，集成度低，控制不够灵活， 通用性不强，要实现复杂、先进的控制算法很困难。 随着微电子技术的飞速发展，数字处理器的运算速度越来越快，功能更加强 大，而成本也随着大规模的生产而下降，数字控制己成为当今电源发展的主要方 向。用数字控制代替模拟控制，可以消除温漂问题，抗干扰能力强，有利于参数 整定和调节，通用性强，便于通过程序软件的改变方便地调整方案和实现多种新 型控制策略，同时减少元件数目，简化硬件结构，从而提高系统的可靠性o ”。 9 江苏大学硕士研究生论文 开关电源的数字化是指对功率开关的状态实时控制，可以包括： 1 ) 对开关的频率、相位、占空比的直接调整； 2 ) 对电流电压的瞬态实施实时检测和保护； 3 ) 对桥式电路中上下开关臂的导通重合或导通死区时间进行精确控制； 4 ) 对变换器的输出参数( 如电压、电流等) 实行数字化实时控制。 数字电源包括两部分：p w m 反馈回路的数字控制，电源管理与通信。目前 的主要发展趋势为模拟技术+ 微控制器。以微处理器为核心，采用“整合数字电 源”( f u s i o nd i g i t a lp o w e r ) 技术，实现开关电源中模拟组件与数字组件的优化组 合。在不牺牲模拟控制所具备的精度和无限分辨率的情况下，提供数字控制所具 有的全部性能，通过取长补短，恰当结合这两种核心技术，电源解决方案会更加 优化、丰富。n 公司亚太区电源产品技术总监严宗福表示：借助数字电源解决 方案，n 扩展了电源产品系列。我们认为模拟与数字电源解决方案将在今后多 年内长期共存”。图1 4 是数字电源系统的结构框图，其优点有高集成度；p w m 分辨力高；能充分发挥微处理器的优势，使所设计的电源达到高技术指标；还能 实现多相位控制、非线性控制、负载均流以及故障预测等功能，为研制绿色节能 型开关电源提供了便利条件啪。 输入电压 图1 4 数字电源系统框图 当前，1 r i 、飞思卡尔，s i l i c o nl a b s 的数字电源控制器均采用模拟技术与微控 制器相结合的策略。例如，1 r i 的数字电源解决方案f u s i o nd i g i t a lp o w e r 中用于 a c d c 电源的u c d 9 5 0 1 ，就是源于其d s p 产品t m s 3 2 0 。而z i l k e rl a b s 则汲取 了模拟解决方案的高性能、高效率和速度快以及数字解决方案的高灵活性、可扩 展和高度可控制的优势，开发出创新的混合信号电源技术。z i l k e rl a b s 公司的 m a c d o n a l d 认为：“数字电源所需的元件远少于模拟解决方案，因此与全模拟解 1 0 江苏大学项士研究生论文 决方案相比，数字电源的体积更小、成本更低，更能满足复杂的电源需求。” 1 4 数字p i d 控制 1 4 1p i d 控制原理和特点 在工业控制中，应用最为广泛的调节器控制规律为比例、积分、微分控制， 简称p i d 控制，又称p i d 调节。p i d 控制器问世至今已有近7 0 年历史，它以其 结构简单、稳定性好、工作可靠、调整方便而成为工业控制的主要技术之一当 被控对象的结构和参数不能完全掌握，或得不到精确的数学模型时，控制理论的 其它技术难以采用时，系统控制器的结构和参数必须依靠经验和现场调试来确 定，这时应用p i d 控制技术最为方便。即当我们不完全了解一个系统和被控对 象，或不能通过有效的测量手段来获得系统参数时，最适合用p i d 控制技术。 p i d 控制器就是根据系统的误差，利用比例、积分、微分计算出控制量来进 行控制。实际应用中，可以根据受控对象的特性和控制的性能要求，灵活地采用 不同的控制组合，构成比例( p ) 、比例+ 积分( p i ) 、比例+ 积分+ 微分( p d ) 的控制器。 纯比例控制是一种最简单的控制方式，其控制器的输出与输入误差信号成比 例关系，能迅速反应误差，但当仅有比例控制时不能消除稳态误差。比例放大系 数的加大，会引起系统的不稳定。在积分控制中，控制器的输出与输入误差信号 的积分成正比关系。只要系统有误差存在，积分控制器就不断地积累，输出控制 量，以消除误差。因而，只要有足够的时间，积分控制将能完全消除稳态误差， 使系统误差为零。因此，比例+ 积分( p 0 控制器，可以使系统在进入稳态后无稳 态误差。在微分控制中，控制器的输出与输入误差信号的微分( 即误差的变化率) 成正比关系。微分控制可以减小超调量，克服振荡，加快系统动态响应速度，减 小调整时间，从而改善系统的动态性能。所以对有较大惯性或滞后的被控对象， 比例+ 微分( p d ) 控制器能改善系统的动态特性。但是微分作用对输入信号噪声特 别敏感，所以一般的系统不常用啕。 江苏大学硕士研究生论文 1 4 2 数字p i d 控制 在数字控制系统中，p i d 控制器是通过计算机p i d 控制算法程序实现的。进 入计算机的连续时间信号，必须经过采样和量化后，变成数字量，方能进入计算 机的存贮器和寄存器。在数字计算机中的计算和处理，不论是积分还是微分，只 能用数值计算去逼近。用求和代替积分，用差商代替微商，使p i d 算法离散化， 将描述连续时间p i d 算法的微分方程，变为描述离散时间p i d 算法的差分方程。 ( 1 ) 确定控制器结构 在选择数字p i d 参数之前，首先应该确定控制器结构。对必须消除稳态误 差的系统，应选择包含积分控制的p i 或p i d 控制器。一般来说，p i 、p i d 和p 控制器应用较多。对于有滞后的对象，往往都加入微分控制。 ( 2 ) 选择参数 数字p i d 控制器控制参数的选择，可按连续时间p i d 参数整定方法进行。 控制器结构确定后，即可开始选择参数。参数的选择，要根据受控对象的具体特 性和对控制系统的性能要求进行。工程上，一般要求整个闭环系统是稳定的，对 给定量的变化能迅速响应并平滑跟踪，超调量小；在不同干扰作用下，能保证被 控量在给定值；当环境参数发生变化时，整个系统能保持稳定等等。这些要求， 对控制系统自身性能来说，有些是矛盾的。我们必须满足主要方面的要求，兼顾 其他方面，适当地折衷处理 p i d 控制器的参数整定，可以不依赖于受控对象的数学模型。工程上，p i d 控制器的参数常常是通过实验来确定，通过试凑，或者通过实验经验来确定。 ( 3 ) 控制算法 位置式p i d 算法为 i u ( k ) = k p e ( k ) + k ，p ( 的+ 足d e ( k ) - e ( k - 1 ) + u o ( 1 - 1 ) j t 0 式中i l 旷空制量的基值，即l 踟时的控制；i l ( 1 ( 卜第k 个采样时刻的控制； k p 一比例放大系数； k r _ j 良分放大系数；k d 一兹分放大系数。 式( 1 一1 ) 是数字p i d 算法的非递推形式，称全量算法。算法中，为了求和， 必须将系统偏差的全部过去值e ( j ) ( j = l ，2 ，3 ，k ) 都存储起来。这种算法得 出控制量的全量输出u 0 0 ，是控制量的绝对数值。在控制系统中，这种控制量确 江苏大学项士研究生论丈 定了执行机构的位置，所以称为“位置算法” 当执行机构需要的不是控制量的绝对值，而是控制量的增量时，需要用p i d 的“增量算法”。 控制量的增量算法为 a u = “( i ) 一( t 1 ) ；a e ( t ) + 6 口( i 1 ) + c a ( t 一2 ) 。 ( 1 2 ) 式0 - 2 ) 已看不出是p i d 的表达式了，也看不出p 、i 、d 作用的直接关系， 只表示了各次误差量对控制作用的影响。从式0 - 2 ) 看出，数字增量式p i d 算法， 只要贮存最近的三个误差采样值e l k ) 、e 0 【- d 、e 0 【- 2 ) 就足够了嘲 1 5 国内外研究现状 国外对全桥高频软开关d c d cp w m 功率变换器研究起步早、研究深入。 美国、欧洲、新加坡等电力电子及电源领域的专家和学者们先后提出了多种新的 电路拓扑、思想魄硼。之前大多数系统都采用模拟控制，在2 l 世纪初国际上已 经开始研制数字控制开关电源系统。2 0 0 5 年3 月，美国德州仪器公司( 1 r i ) 宣布推 出具有创新型的数字电源产品，不仅能显著提高电源系统的性能，还可大幅度延 长其使用寿命。z i l k e rl a b s 则汲取了模拟电源解决方案的高性能、高效率和速度 快以及数字电源解决方案的高灵活性、可扩展和高度可控制的优势，开发出创新 的混合信号电源技术。 由于开关电源的高频率，其控制技术的数字化对于芯片的要求非常高，随着 微电子技术、微处理器技术、计算机技术的迅猛发展并引入电源应用领域，大大 拓宽了电源装置的功能，许多国内外的大学正在致力予全数字化的电源控制芯片 的研发，全数字化的开关电源呼之欲出。 总结国内外的研究成果，未来软开关全桥p w md c d c 变换器发展趋势主 要有： 1 ) 四只开关管都实现零电流开关嘲，进一步减少开关损耗； 2 ) 开关频率要高，这样动态响应才能快，配合高速微处理器的工作是必需 的，也是减小体积的重要途径汹； 3 ) 变压器、电容体积都要减小，效率要高，热量要减少，功率密度要耐”4 1 ； 4 ) 针对传统控制系统的不可靠性，采用数字控制的方法，利用嵌入式微控 扛苏大擘硕士研究生论文 制器的运算速度快、计算精度高、设计灵活、性价比高等特点，可以满 足对高质量变换器的可靠性和实时控制的要求。“； 5 ) 谐振网络的软开关功率变换器汹1 ； 1 6 本文主要研究内容 本文介绍了软开关的基本概念、发展历程，介绍了一种新型次级箝位零电压 零电流软开关全桥d c i ) c 变换器，采用数字化控制技术。论文分析了该变换器 的工作原理，推导了变换器各种状态时的参数计算方程以及参数设计依据；采用 e a s y a r m 开发板通过编程实现p w m 移相控制信号的输出，结合数字和模拟控 制形成嵌入式电源系统；创新地研制了基于a r m 控制的i k w 零电压零电流软 开关电源，给出了其主电路、控制电路、驱动电路、保护电路等的设计，以及软 件实现；运用p s p i c e 9 2 软件对电路拓扑进行了仿真分析，优化参数；在实验样 机上测量了波形，并与仿真波形进行比较、分析，进一步优化系统。 论文的具体结构分配如下： 第一章为绪论，简单介绍软开关全桥d c 仍c 变换器、嵌入式a r m 处理器、 数字电源以及数字p i d 控制，该课题的国内外研究现状，本文的研究内容。 第二章介绍基于新型z v z c s 全桥变换器的工作原理，参数推导。 第三章介绍a r m 开发板e a s y a r m 2 2 1 0 的功能和特点，p w m 控制策略和 软件的设计。 第四章为变换器主体设计，包括主电路、控制电路、驱动电路、保护电路和 各参数的设计 第五章对该拓扑变换进行了仿真分析，并优化参数设计，从而总结出理想的 参数。 第六章说明了样机的实验结果，和仿真波形比较、分析，验证了参数设计以 及基于a r m 的数字控制的可行性和有效性。 第七章为全文总结，分析了设计的优点和不足，以及对将来工作的展望。 1 4 江苏大擘硕士研究生论文 第二章新型z v z c s 全桥变换拓扑的工作原理分析 从绪论中知道p w md c d c 全桥软开关变换器的z v z c s 方式，o ”状态工 作在电流复位模式，超前桥臂实现z v s ，滞后桥臂实现z c s 。本章主要阐述了 一种新型次级箝位z v z c s 电路拓扑结构溉捌，详细分析了其工作过程及设计中 几点讨论，为后面的样机设计奠定基础。 2 1 新型次级箝位z v z c s 全桥变换电路概述 本文介绍的新型次级箝位z v z c s p w m 变换器如图2 1 ，其中变压器副边采 用中央抽头结构，全波整流方式。变换器采用移相控制，由于输出电感参与了超 前桥臂的谐振，所以在原边串联电感气很小的情况下也可以给超前臂开关管s 、 岛并联电容c 1 、c ，来实现零电压开关。辅助电路是在输出滤波电感磁芯上增加 一个绕组，当原边向副边传送能量时，由增加的绕组经辅助回路给箝位电容c 充 电。其后当s 关断，原边电压过零期间，g 通过二极管仍放电把电压折射到原 边，作为阻断源复位原边电流f 。，为滞后桥臂开创零电流开关条件嘲。 图2 1 。新型次级箝位z v z c s 变换器拓扑 江苏太擘硕士研究生论文 2 2 新型次级箝位z v z c s 电路工作过程分析 图2 2 为各开关管的时序和有关工作波形。为了分析稳定状态时变换器的工 作过程，假定所有元件都是理想的，且输出滤波电感足够大，在半个工作周期内 输出滤波电感上电流可被看做恒流源，交换器在半个工作周期可分成8 个状态。 在轻载时，工作状态稍有变化 s最 lls ， & 盛l 珞 d 、 一 |1 l ，月 、 轻鹱村 、，一 、 厂 、 厂、 l f。支l八 卜、 鞋瘦时 l 厂一t 图2 2 变换器的工作坡形图 模式1 ( 瓦一五) ：t o 时s 。、s ：都导通，输入加在变压器原边电感k 上， 变压器原边电流，。线性增加，直到等于输出电流折算到原边值，所以s ：的开通 是零电流开通。 圳：f ( 2 - 1 ) 江苏大擘硕士研究生论文 在达到输出电流折算到原边值前，由于二极管d ，导通，变压器副边电压为零， 原边不向副边传送能量，这段时间为占空比丢失 圈2 3 梗式l ，2 的工作娘理圈 模式2 (