【正文】 作方式引起的變換器電流應(yīng)力較大，造成通態(tài)損耗變高。如圖111所示，其中Cr，Lr，Dr，Dp組成了額外加入的無源緩沖網(wǎng)絡(luò)，它吸收了副邊電壓回饋電路中的電壓尖峰，相對(duì)于最簡(jiǎn)單的RCD吸收器，它基本不消耗功率，其缺點(diǎn)是不能完全抑制電壓尖峰，只是緩沖。圖19 恒頻零電壓開關(guān)多諧振雙向DCDC變換器Fig19 ZVS mulresonance bidirectional DCDC converter with constant frequency2) 準(zhǔn)方波零電壓PWM雙向DCDC變換器如圖110所示，開關(guān)以互補(bǔ)方式工作。因此在某些應(yīng)用場(chǎng)合實(shí)現(xiàn)雙向的軟開關(guān)較為困難，所以，在某些應(yīng)用場(chǎng)合，變換器在功率傳輸大的方向上使用軟開關(guān)工作模式，而在功率傳輸小的方向上仍以硬開關(guān)工作模式為主。 雙向DCDC變換器軟開關(guān)技術(shù)現(xiàn)狀硬開關(guān)雙向DCDC變換器在電流連續(xù)工作模式下會(huì)遇到嚴(yán)重的問題，這往往與有源開關(guān)器件(如MOSFET)的體內(nèi)寄生二極管有關(guān)，因它關(guān)斷過程中的反向恢復(fù)電流而產(chǎn)生的電流尖峰對(duì)開關(guān)器件有極大的危害。對(duì)于交流電機(jī)、同步電機(jī)、永磁無刷電機(jī)等電機(jī)則采用間接驅(qū)動(dòng)的方法，雙向DCDC變換器可以調(diào)節(jié)逆變器的輸入電壓，并使得回饋制動(dòng)控制容易。本論文即是要研究應(yīng)用在該領(lǐng)域的一種雙向DCDC變換器。圖13 含雙向DCDC直流變換器的直流不停電系統(tǒng)Fig13 DC UPS including the bidirectional DCDC converter同樣道理，雙向DCDC變換器還可成為某些ACUPS（交流不停電電源系統(tǒng)，也就是通常所說的UPS）中的中間直流總線與蓄電池之間的變換環(huán)節(jié)，圖14是在線式交流不停電電源系統(tǒng)的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。當(dāng)外部交流輸入電源掉線時(shí)，負(fù)載由蓄電池來提供能量。雙向DCDC變換器可以根據(jù)實(shí)際需要來控制能量的流動(dòng)方向，即可以使能量從V1傳輸?shù)絍2 (此時(shí)I1為負(fù)，而I2為正），也可以使能量從V2傳輸?shù)絍1（此時(shí)I1為正，而I2為負(fù)）。人們對(duì)它的研究越來越感興趣。數(shù)字控制雙向半橋DCDC變換器的設(shè)計(jì)畢業(yè)論文目錄0 引言 11 概述 2 研究?jī)?nèi)容 2 雙向DCDC變換器的原理 2 雙向DCDC變換器的應(yīng)用 3 不停電電源系統(tǒng) 3 新能源發(fā)電系統(tǒng) 4 電動(dòng)汽車、各種重型車輛的車載電源系統(tǒng) 5 蓄電池能量?jī)?chǔ)備系統(tǒng) 7 雙向DCDC變換器軟開關(guān)技術(shù)現(xiàn)狀 7 本論文的目的和主要工作 112 雙向半橋DCDC變換器的工作原理 14 引言 14 雙向DCDC變換器的工作原理 143參數(shù)設(shè)計(jì) 24 變壓器漏感的設(shè)計(jì) 24 輸入電感的設(shè)計(jì) 26 開關(guān)管應(yīng)力 26 隔直電容的選取 26 半橋臂開關(guān)管并聯(lián)電容的選取 274 雙向半橋DCDC變換器的仿真分析 28 引言 28 MATLAB簡(jiǎn)介 28 閉環(huán)控制 28 仿真分析 305 雙向半橋?qū)崿F(xiàn)研究 35 DSP芯片介紹 35 DSP芯片的發(fā)展 35 TMS320LF2407A 芯片的介紹 36 37 39 40 42 42 DC/DC變換器的驅(qū)動(dòng)電路 436 控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì) 45 主程序設(shè)計(jì) 45 中斷服務(wù)程序設(shè)計(jì) 46 基于DSP的直接移相脈沖生成方法 477 技術(shù)經(jīng)濟(jì)性分析 498 總結(jié) 50致謝 51參考文獻(xiàn) 52附錄A 54附錄B 64**大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）0 引言 電力電子技術(shù)是研究電能變換原理與變換裝置的綜合性學(xué)科，是電力行業(yè)中廣泛運(yùn)用的電子技術(shù)。本章簡(jiǎn)單介紹了雙向DCDC變換器的原理和用途。用通常的單向 DCDC 變換器也可以實(shí)現(xiàn)能量的雙向流動(dòng)，但是這時(shí)就需要將兩個(gè)單向DCDC變換器反并聯(lián)，因?yàn)橥ǔ５膯蜗駾CDC變換器中主功率傳輸通路上一般都有二極管這個(gè)環(huán)節(jié)，因此能量經(jīng)由變換器流動(dòng)的方向只能是單向的。正常供電時(shí)，交流輸入對(duì)蓄電池浮充。蓄電池組也是經(jīng)過雙向DCDC變換器并到直流總線上。在電動(dòng)汽車中，電動(dòng)機(jī)是典型的有源負(fù)載，從其輸入端來看既能輸出能量也可吸入能量。近年來，一些低輸入感抗的電機(jī)應(yīng)用越來越多，主要得益于它的功率密度高、轉(zhuǎn)動(dòng)慣量低、轉(zhuǎn)動(dòng)平滑以及成本低等優(yōu)點(diǎn)。一種解決辦法就是采用額外串并快速二極管的方法，這樣在一定程度上減小了反向恢復(fù)電流，但不足之處是除了增加半導(dǎo)體器件外，還會(huì)增加變換器的通態(tài)損耗，對(duì)非高壓應(yīng)用場(chǎng)合中提高效率并沒有貢獻(xiàn)。近年來，己有不少軟開關(guān)雙向DCDC變換器電路拓?fù)涑霈F(xiàn)，現(xiàn)討論幾種:1） 諧振類雙向DCDC變換器[17]諧振技術(shù)是出現(xiàn)較早的軟開關(guān)技術(shù)。變換器在主功率電感的作用下，每一個(gè)開關(guān)在其開通前，有電流流經(jīng)其反并聯(lián)二極管，兩端電壓被降低到零，這樣為功率開關(guān)提供了零電壓開通條件。圖111 一種應(yīng)用無源緩沖器的橋式雙向DCDC變換器Fig111 A bridge bidirectional DCDC converter using the passive buffer5) 有源緩沖器類雙向DCDC變換器通過加入一些有源緩沖器來達(dá)到零電壓轉(zhuǎn)換(ZVT)或零電流轉(zhuǎn)換(ZCT)為目的的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，它們的共同點(diǎn)是變換器基本保持一般的PWM方式工作，額外引入的輔助有源開關(guān)和輔助諧振網(wǎng)絡(luò)，只是在主開關(guān)管開通或關(guān)斷之前工作一小段時(shí)間，使得主開關(guān)管工作于軟開關(guān)狀態(tài)，此外，器件的電壓應(yīng)力較小。②反向工作時(shí)，輔助鉗位管是硬開關(guān)工作的。因此，目前，采用輔助開關(guān)的軟開關(guān)雙向DCDC功率變換器存在電路元件多，需要額外引入的輔助開關(guān)及其控制電路等缺點(diǎn)，因此影響成本和功率密度。但當(dāng)相移控制雙向DCDC功率變換器的輸入電壓或輸出電壓偏離標(biāo)稱電壓時(shí)，相移控制在電路中造成嚴(yán)重環(huán)流，導(dǎo)致通態(tài)損耗的迅速增加和軟開關(guān)條件的破壞。論文主要完成以下工作：1) 介紹了一種雙向半橋零電壓（ZVS）DCDC變換器。該變換器的結(jié)構(gòu)很簡(jiǎn)單，隔離變壓器的兩端各有一個(gè)對(duì)稱半橋。另外在能量雙向流動(dòng)時(shí)，沒有輔助設(shè)備就可以實(shí)現(xiàn)開關(guān)管的零電壓（ZVS）通斷。從圖中可以看出變換器電流應(yīng)力大大增加，即增加輸入與輸出之間無功功率的交換，于是增加功率器件、磁性元件的電流應(yīng)力，增加了開關(guān)器件的通態(tài)損耗和磁性元件損耗。在之期間, S2在ZVS 條件下導(dǎo)通。圖25b 階段5 Fig25b Step 57） 階段6：(t6~t7) 如圖26a在t6時(shí)刻，當(dāng)諧振電容Cr4的電壓下降到0時(shí)，D4開始導(dǎo)通。在此期間，S1在ZVS 條件下導(dǎo)通。在此期間，S3在ZVS 條件下導(dǎo)通。從圖210可以看出，在正向模式下ZVS通斷的條件主要決定于在t1,t5,t7,t11時(shí)刻電流Ir1與Id1的值。此變換器電路中變壓器有三種功能:1) 變換器的高壓側(cè)與低壓側(cè)進(jìn)行隔離；2) 低壓側(cè)電壓到相應(yīng)的高壓；3) 變壓器的漏感用來存儲(chǔ)和傳遞能量。該模式在=時(shí)結(jié)束。 開關(guān)管應(yīng)力開關(guān)管上的電壓、電流和du/dt的變化范圍對(duì)于開關(guān)管的設(shè)計(jì)很重要。仿真是伴隨著計(jì)算機(jī)性能的不斷提高而逐漸發(fā)展起來的一種有效的分析設(shè)計(jì)工具，可以取代人工的計(jì)算分析，將設(shè)計(jì)人員從重復(fù)性的計(jì)算勞動(dòng)中解脫出來。 閉環(huán)控制DCDC變換器的閉環(huán)控制有電流模式和電壓模式兩種[2325]。故本文在能量正向流動(dòng)時(shí)，控制回路采用電壓模式控制。圖45是變換器反向工作時(shí)的平均電流模式閉環(huán)控制的具體實(shí)現(xiàn)電路，電壓閉環(huán)由運(yùn)算放大器IC2, R4, R5, R6, R7, R8和C1構(gòu)成，它是一個(gè)PI調(diào)節(jié)器。圖48為正向工作模式下，輸出電壓為288V、輸出功率P0=72W時(shí)，變壓器漏感Ls兩邊電壓Vr1和Vr2的波形。在這之后，最成功的DSP芯片當(dāng)數(shù)美國德州儀器公司(Texas Instruments，簡(jiǎn)稱TI)的一系列產(chǎn)品。T公司于1984年推出的DSP32。從制造工藝來看，1980年采用4μm的N溝道MOS(NMOS)工藝，而現(xiàn)在則普遍采用亞微米(Micron) CMOS工藝。②累加器(ACC)。這8個(gè)輔助寄存器提供了強(qiáng)大而靈活的間接尋址能力，利用包含在輔助寄存器中的16位地址可以訪問64K數(shù)據(jù)空間中的任意單元。TMS320LF240x指令集采用3中基本的存儲(chǔ)器尋址方式：立即尋址方式、直接尋址方式和間接尋址方式。TI公司生產(chǎn)的DSP ( TMS320LF2407A)是一種特殊結(jié)構(gòu)的微處理器，采用了程序和數(shù)據(jù)分離的哈佛結(jié)構(gòu)，具有專門的硬件乘法器，采用流水線操作，提供特殊的DSP指令。相互獨(dú)立的數(shù)據(jù)總線和地址總線，支持同時(shí)對(duì)數(shù)據(jù)和程序存儲(chǔ)空間的尋址。圖52集成運(yùn)放供電電路Fig 52 Integrated operational amplifier power supply circuit本文設(shè)計(jì)的輔助電源板輸出電壓為+10V，DSP芯片需要的供電電壓為3. 3V，集成運(yùn)放需要的供電電壓為+15V、15V,電源電路如圖52所示。圖53 TMS320LF2407A供電電路原理圖Fig53 TMS320LF2407A power supply circuit1）電流采樣電路：實(shí)現(xiàn)控制算法需要對(duì)模擬量進(jìn)行AD采樣，2407 DSP具有很高的運(yùn)算速度，使得在線計(jì)算、實(shí)時(shí)控制得以實(shí)現(xiàn)。40mv/A，在本系統(tǒng)中，需要檢測(cè)的電流有負(fù)載電流和電感電流，都是雙向流動(dòng)的，即電流大小有正負(fù)之分，因此，經(jīng)電流傳感器檢測(cè)到的信號(hào)也將在正負(fù)之間變化。2）只需通過報(bào)文濾波即可實(shí)現(xiàn)點(diǎn)對(duì)點(diǎn)，一點(diǎn)對(duì)多點(diǎn)及全局廣播等幾種方式收發(fā)數(shù)據(jù)，無須專門的調(diào)度。為了保證系統(tǒng)安全可靠的工作，2407 DSP提供了一個(gè)引腳，當(dāng)該引腳被拉成低電平的時(shí)候，DSP內(nèi)部定時(shí)器立即停止計(jì)數(shù)，所有的PWM輸出引腳全部呈現(xiàn)高阻態(tài)，同時(shí)產(chǎn)生故障中斷信號(hào)，通知DSP有異常情況發(fā)生。 1） IR2118的功能原理及主要特點(diǎn) IR2118是一種高壓高速功率MOSFET和IGBT驅(qū)動(dòng)器，是專為驅(qū)動(dòng)單個(gè)功率MOSFET或IGBT而設(shè)計(jì)的柵極驅(qū)動(dòng)器集成電路。圖57 驅(qū)動(dòng)電路原理圖Fig57 Driver circuit diagram對(duì)自舉電容C2的初始充電是由源VCC通過變換器的電感和濾波電容進(jìn)行的。主程序主要完成對(duì)DSP芯片的初始化，以及片內(nèi)外設(shè)控制寄存器的初始化和特殊變量的初始化等；PWM定時(shí)中斷服務(wù)程序主要完成輸入電感電流和輸出電容電壓信號(hào)的AD采樣，移相 PWM波形的生成，電流和電壓調(diào)節(jié)算法以及各種系統(tǒng)保護(hù)等。由于現(xiàn)有的TMS320LF2407A DSP芯片中沒有移相控制器，不具備直接生成移相 PWM 驅(qū)動(dòng)信號(hào)的功能，因而需要提出以軟件為基礎(chǔ)的移相調(diào)制方案，以便于實(shí)現(xiàn)移相控制。2) 數(shù)字移相PWM程序流程圖基于DSP的移相PWM調(diào)制程序流程圖如圖63所示。7 技術(shù)經(jīng)濟(jì)性分析本文所選器件均為市場(chǎng)上常用器件，有些器件可用其它同功能不同型號(hào)器件代替，因此具有較強(qiáng)的普遍適用性。DSP器件還提供了高度專業(yè)化的指令集，提高了FFT快速傅里葉變換和濾波器的運(yùn)算速度。而當(dāng)在能量反向流動(dòng)時(shí)，因?yàn)橐獙?duì)電池充電，充電電流要控制，所以采用平均電流模式控制。同時(shí)使自己對(duì)電力電子直流變換器研究有更深入的認(rèn)識(shí)。而且DSP開發(fā)系統(tǒng)的國產(chǎn)化工作已經(jīng)完成，國產(chǎn)開發(fā)系統(tǒng)的價(jià)格至少比進(jìn)口價(jià)格低一半。因?yàn)榕c單片機(jī)相比，DSP器件具有較高的集成度，具有更快的CPU，更大容量的存儲(chǔ)器，內(nèi)置有波特率發(fā)生器和FIFO緩沖器。圖63 移相PWM調(diào)制程序流程圖Fig63 Program flow chart of phaseshifted PWM modulation本文中2407A DSP的晶振為20MHz有源晶振，單指令周期最短為50ns。周期值用于產(chǎn)生PWM波的頻率(或周期)，比較值主要用于產(chǎn)生PWM波的脈寬。 中斷服務(wù)程序設(shè)計(jì)圖62 定時(shí)器下溢中斷服務(wù)程序流程圖Fig62 Timer overflow interrupt service under the program flow chart雙向半橋變換器系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)的重要部分是定時(shí)器下溢中斷服務(wù)程序的設(shè)計(jì)，因?yàn)殡妷弘娏餍盘?hào)的采樣、移相調(diào)制信號(hào)的發(fā)生、PI控制器的計(jì)算，以及出現(xiàn)故障時(shí)的保護(hù)都是在中斷服務(wù)程序中完成的。此時(shí)，MOSFET截止，其源極電位接近地電位，電源通過二級(jí)管D2給C2充電，使C2上的電壓接近VCC。各引出端功能分別是：Vcc端是邏輯輸入部分工作電源電壓?？刂颇K具有多種硬件故障檢測(cè)和保護(hù)電路，可以實(shí)現(xiàn)電流保護(hù)和電壓保護(hù)，其中過壓保護(hù)電路，如圖56所示。節(jié)點(diǎn)數(shù)可達(dá)110個(gè)，通信介質(zhì)可以是雙絞線、同軸電纜或光導(dǎo)纖維。因此，為了準(zhǔn)確地檢測(cè)直流電流，并且實(shí)現(xiàn)檢測(cè)值隨待檢電流在0~，采用如圖54所示的采樣調(diào)理電路。模數(shù)轉(zhuǎn)換時(shí)間包括采樣保持和轉(zhuǎn)換時(shí)間。圖 53 為供電電路的原理圖，本實(shí)驗(yàn)中TMS320LF2407A的供電電路主要完成為數(shù)字控制板提供+。圖51中的PWM是MOSFET的觸發(fā)脈沖，由事件管理器模塊產(chǎn)生。近年來功率電子學(xué)成為DSP的一個(gè)全新的應(yīng)用領(lǐng)域，在電機(jī)控制、不間斷電源(UPS ), DC/DC變換器控制中，DSP都得到了廣泛的應(yīng)用。立即尋址包括短立即尋址和長立即尋址。②將1個(gè)常數(shù)加至輔助寄存器值(ADRK指令)或從輔助寄存器值中減去1個(gè)常數(shù)（SBRK指令）。累加器的高位字和低位字中的任意一個(gè)可以被送至輸出數(shù)據(jù)定標(biāo)移位器，在此移位后，又可被存至數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器。 TMS320LF2407A 芯片的介紹本課題中采用的數(shù)字信號(hào)處理器是TEXASINSTUMENTS(TI)公司推出的TMS320LF2407芯片，其CPU內(nèi)核主要包括以下幾個(gè)部分：1）輸入定標(biāo)移位器(ISCALE)TMS320LF240x器件提供了一個(gè)輸入定標(biāo)移位器，該移位器將來自程序存儲(chǔ)器或數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器的16位數(shù)據(jù)調(diào)整為32位數(shù)據(jù)送到中央算術(shù)邏輯單元(CALU)。1986年，該公司推出了定點(diǎn)處理器iuC56010。TI將常用的DSP芯片歸納為三大系列，即:T