【《双有源桥DC-DC变换器控制电路方案设计案例》5000字】

双有源桥DC-DC变换器控制电路方案设计案例目录TOC\o"1-3"\h\u19532双有源桥DC-DC变换器控制电路方案设计案例 1143931.1整体设计方案 184261.2主电路设计 2174341.2.1开关器件选型 2232111.2.2高频变压器设计 237851.2.3移相电感设计 4251991.3辅助电路设计 5207741.3.1驱动电路设计 5232911.3.2电压检测电路设计 6170901.3.3电流检测电路设计 697331.3.4模数转换电路设计 7279391.3.5保护电路设计 7171591.4控制系统设计 814941.1.1数字信号处理器选型 8239061.1.2控制系统软件设计 10282891.1.3控制器复位电路设计 111.1整体设计方案立足于以上度DC/DC变换器相关理论研究，对双有源桥变换器控制电路进行设计，采取DSP控制器进行优化验证，整体涉及平台具体见图4-1所示。图4-1变换器整体控制架构图1.2主电路设计本研究中所涉及的DC/DC变换器主要参数如下：3kW是最大的传输功率，输出电压持续范围主要从0到400伏，相对来说输出电压持续范围在0到300伏，10到50kHz是最主要的开关频率，在主电路实际中要符合上述基础参数要求。1.2.1开关器件选型所采用的变换器原边及副边最大承受电压分别是400伏和300伏，在传输最大功率的基础上，原边有效电流值是7.5安，副边电流有效数值是10安。分析到暂时状态过程中的超调量数值，选择开关器元件的时候裕量最少有一倍的空间。分析硬件电路设计过程中及市场中产品相关参数，最终原边和副边开关器件主要选择的是C2M0080120D的SiC器件和C2M0025120D的SiC器件，原边电压等级和副边的电压等级都是1200V，两者的电流分别是36A和90A。1.2.2高频变压器设计在DC/DC变换器硬件设计过程中高频变压器主要选型及参数设计是关键点，需要符合传输功率、电压相对等级、工作频率、磁芯的磁密度等多种要求，且还要不断提高功率密度，降低体积及相应的重量，变压器研究设计过程中主要包括磁芯材料选择，结构类型选择，线圈匝数及其线型选择等等。（1）磁芯材料选择目前铁氧体相关材料、非晶体及其纳米晶体等都是变压器主要的磁芯用材料，在上述材料中铁氧体材料在频率较高的状态下能源损耗不高，且价格相对便宜，容易被设计成不同的形状，但不足时磁通性能不高，密度不高等。与其相反的是其他材料价格高，且不容易被设计成各种不同的类型，综合分析，变压器磁芯材料主要选择的是锰锌铁氧体。（2）磁芯结构选择磁芯具体结构的主要选择标准是能够有效减少高频变压器中漏感，能够有效增加绕组线圈具体散热面积，能够有效进行绕线及进行接线装配等，一般的磁芯结构主要有EI型、EE型、EC型、Q型、PQ型等。在这些类型中窗口不小，具有较强的散热性能，制作工艺较为简单，成本不高的是EE类型，这些优势使其成为高频变压器最为普遍的磁芯结构，本研究设计过程中主要选择的是EE类型的磁芯结构类型。（3）磁芯类型选择在磁芯具体类型及其结构进行确定以后，要继续分析窗口大小等相关参数，也就是磁芯具体类型，在本研究过程中确定变压器磁芯类型主要利用AP法，其DC/DC变换器主要参数能够利用高频变延期等相关功率来计算：（1.1）在以上公式中，变换器主要设计功率用来表示，在本研究中选择95%，高频变压器主要输出功率用磁芯面积来反应，其磁芯面积主要计算公式是：（1.2）其中：记作是磁芯面积乘积；记作是磁芯窗口面积；记作是磁芯有效截面积；记作是窗口使用系数，一般情况下取0.2-0.4；记作是波形系数，变压器输入电压波形为方波时，该值为4；记作是磁感强度，通常取0.15T；开关频率，取最大值50kHz；记作是电流密度系数，EE型磁芯在25℃时为366，50℃时为534；x记作是磁芯结构系数，EE型磁芯为0.12。利用上述不同参数来最后设计出磁芯面积是Ap=13.24cm2。为了确保磁芯的工作效率，在实际选择磁芯面积的时候要比计算数值大，参照相关手册来最终确定PC40的EE55类型的磁芯，其具体参数是AP=13.676cm2，Ae=3.54cm，=3.86cm。（4）线圈匝数及线型选择因为1比1是变压器变比主要设定数值，在初级及次级线圈匝数则可以用以下公式来计算：（1.3）线圈具体电流密度用计算公式是：（1.4）输入及输出电流能够用计算公式是：（1.5）则每个匝数线圈导线裸面积分别是：（1.6）从以上相应的参数能够最终确定变压器原副边线圈匝数及相应的线型。1.2.3移相电感设计移相电感是DC/DC变换器在功率传输过程中最主要的元件，其对于变换器最大的传输功率有直接影响作用。在具体使用的时候，这种移相电感装置主要组成成分是变压器漏感及其外加电感两个部分法。存在变压器漏感主要减少变换器工作效率，在本研究中漏感主要涉及为0，全部由外加电感来进行功率传输，移相电感数量主要影响因素是传输系统功率，输入及输出电压，开关频率等，主要计算公式是：（1.7）将1.5倍的裕量给留出后，移相电感主要等价功率是：（1.8）且同样的AP法选择磁芯结构计算公式是：（1.9）线圈具体匝数可以通过以下公式来计算：（1.10）1.3辅助电路设计1.3.1驱动电路设计驱动电路主要原理图见图1.2所示。从中能够看出主要部分有电源模块，光耦合隔离及驱动模块三部分，其中电源模块主要采取RP-1212D、RP-1205S，电源模块相应的供电电压为10.8到13.2伏。为了能够和开关器具体驱动电压等级需求相吻合，本研究设计过程中供电电压采取10.8V，这样的话RP-1212D主要输出电压是±10.8V，RP-1205S主要输出电压是5V，光耦合隔离芯片主要选择的是ACPL-4800，其具体供电过程中选择的是零到25伏，具体输出工作电压是负0.5到25伏，25毫安是主要输出电流。本研究设计中采用的是18伏二极管主要输出电压专门为ACPL-4800供电。驱动芯片主要采取的是IXDN609，其驱动过程中主要峰值是9安，在驱动信号不断上升及降低的时候最短可以间隔的是25毫秒。提供供电电压是1.5伏到35伏，在本研究设计过程中主要采取的供电电压是驱动输出21.6伏。这样的话驱动相应的信号在利用驱动电路直接输出的是负压是五伏，方波电压是正压21.6伏，具体见图1.3所示。符合本研究设计过程中开关器件具体驱动电压特定需求。图1.2驱动电路原理图图1.3驱动电压波形图1.3.2电压检测电路设计本研究设计中需要进行采样处理的是输入输出电压，进而能够得到实时的电压传输比率k，电压检查电路原理截图见图1.4所示。从图中能够看出，LV25-P是最主要的霍尔电压传感器，其供电电压及原边额定的输入电流、副边输入的电流分别是±15V、10mA、25mA。输出一端需要检测的电阻RM实际范围是100到190欧姆，本研究设计中采用的是150欧姆。通过传感器输出相应的电流信号能够利用电阻RM转变成为电压方面的信号，直接输送到调理电路中进行综合处理。图1.4电压检测电路原理图1.3.3电流检测电路设计本研究设计过程中同样进行输出电流值计算，融合上述输出电压相关测试，得到实际电流输出功率，来调节优化算法，图1.5体现的是电流检测原理图。LV25-P是最主要的霍尔电压传感器，其供电电压、原边额定的输入电流和副边输入的电流之间的比值分别是±15V、2000:1。输出端的电阻检测数值范畴是0到110欧姆，本研究中选择的100欧姆，同样LA100-P得到的输出电流通过检测电阻装置后转变成为电压信号输送到调理电路中。图1.5电流检测电路原理图1.3.4模数转换电路设计本研究设计的时候要有针对性进行数据采样，主要信号源有输入电压，输出电压及其输出电流等，且这些信号都是直流信号，这样的话采取TMS320F28335内部应用A/D就已经够用。在该系统中内部包括16路专用的ADC通路，主要采取模拟数量输入数值从0到3伏，电压电流采样信号能够通过电路进行转换成为0到3伏的模拟数量，从DSP内部A/D能够进行数据转换。1.3.5保护电路设计本研究设计过程中亟需避免输出功率高于过压过流，所以要进行保护电路设计。在设计过程中，采用直流过压及直流过流的方式进行电路保护。直流信号对电路进行保护图见图1.6所示。从图中将样本扩大后，通过检测的电流及电压信号能够和安全数值进行对比，如果大于该安全数值则表示出现过压过流问题，FLG信号则存在电平转换，中断控制器，将所有开关器件给予封闭，系统不再进行正常工作，利用调节滑动阻力分析电压的数量来进行合理调节，所最终设定的阈值保护数值也随之发生转变。图1.6直流信号保护电路原理图1.4控制系统设计1.1.1数字信号处理器选型DC/DC变化器中主要开关器件有八个之多，所以也同样需要的PWM脉冲信号是8路，按照本研究进行的控制对哦，所需要采取输入电压信号，输出电压信号及输出电流信号三个采样信号。本研究中核心控制环节就是采用TMS320F28335的DSP处理器，在具体使用过程中采取A/D系统转变及优化控制等。这种信号的控制信号主要特征就是速度快，有浮点等，非常符合复杂算法的控制。并且能够改良外部设备部分，使得PWM功能性更强，A/D转变精确度及准确性都有所提升。（1）实现功能针对控制面板来说，一是不管是DSP、FPGA作为备用芯片，具有其他各种功能，要利用配合其他功能芯片来满足电源需求，所共需要这些电源较多，所以需要为其提供特定的电压就可以正常的运作。同时为了减少不同模块之间的相互干扰，确保系统的稳定性及精准性，需要对数字、模拟及驱动电路进行各自供电，所以亟需采用电源电路来处理不同元件之间的供电缺陷。图1.7体现的是电源电路架构图。24伏直流电流是控制面板中最关键的输入电源安数，采用DC/DC电源之间的模块，低压稳定装置，隔离电源等元件能够将24伏电源转变成不同量程的电压，进而能够从控制面板上为各种器件进行供电。在控制面板上存在两种不同的电源：模拟和数字电源。对于数字电源部分，需要采取12伏和24分别供电的是驱动器，开关量输入输出等相关模块，利用LDO出现的1.2V、1.8V、1.9V、2.5V、3.3V、5V主要为DSP、FPGA以及PWM、A/D、看门狗等IC电路供电，利用隔离电源中所具有的五伏直流电可以为各个端口提供相应的电源，在模拟电源的时候，主要为D/A输出相关模块进行供电，其采用的DC/DC模块输出的正负15伏电压。图1.7电源电路结构框图（2）器件选型及构成方式本研究中DC/DC模块主要选择降压模块电源是MDB12-24S15，24伏是最主要的输入电压额度，正负9到18伏是输出电压的主要额度，利用内部开关实现电路的转换功能，主要包括输出输入电压范围广，具有小面积，可靠性较强，短路自我保护及恢复性强等特征。TI公司生产的TPS767D301是最主要的LDO模块，其输入及输出标准版电压分别是5伏，1.2-3.3伏，主要特点就是电流充足，精确度高且存在热过载保护等。具体见图1.8所示。对其进行隔离电源的设计主要选择的是B0505S-1W，具体输入及输出的电压分别为5伏，具有纹波系数较强，转变速度快，静态电流低，经确定高等突出优势。需要的供电元件大多数都位于控制面板上，最为常见的是TMS320F28335的3.3V，其控制面板上全部芯片都是3.3伏的逻辑电压，需求量极大，这同样对电源电路功率提出新的要求。虽然利用多数的电源芯片能够处理好这种问题，但利用这种形式会造成电源芯片有平均值差异。并且不同芯片都处于一样的公共地线中，造成电流压力，因此本研究设计的是功率大的芯片单一供电的形式。电源电路具体原理见图1.8所示。图1.8电源电路原理图1.1.2控制系统软件设计初始化配置程序及其优化算法是控制系统软件设计过程中主要参考部分，本研究中主要采用的是DSP主程序及中断管理相关流程图，具体见图1.9和图1.10所示。在设计过程中主程序是控制程序能够正常操作的基础，在软件中设定常数量及定义相关变量，在设计过程中需要设计系统外部及内部时钟，进行GPIO端口的初始化，中断设置及A/D系统模块的设计等。在DSP中断处理设计过程中，中断的位置一般需要进行标记，如果中断能够使得能位被重新置位，则会出现中断相关请求。图1.9主程序流程图图1.10中断管理流程图1.1.3控制器复位电路设计（1）实现功能一是在上电过程中DSP及其FPGA内部各自的存储形式都是特别混乱的，如果对不同的模块处理就不能在正常的工作状态下，就需要对复位电路重新设计实现DSP和FPGA之上的复位电路功能，二是在上述两者运行的时候，在程序上存在跑飞、CPU没有响应及其死循环错误等亲挂空，则需要重新复位来实现对操作电路板的控制。（2）器件选型及构成方式本研究中控制板复位电路主要选择的是I