（电力电子与电力传动专业论文）基于freescale+dsp控制器的移相全桥直直变换器.pdf

基于f r e a s c a l ed s p 控制器的罄相全桥巍直变换器 a b s t r a c t d i g i t a lc o n t r o lh a sb e e nah o t s p o ti np o w e re l e c t r o n i c sf i e l db e c a u s eo fi t sh i 醢 f e a s i b i l i t ya n dh i g hp r e c i s i o n 。n l i sp a p e rb a s e do nad i g i t a lc o n t r o l l e dp h a s e s h i f i e d f u l l * b r i d g e ( p s f b ) ，撼o v e r c o m et h es h o r t a g eo ff u j lw a v er e c t i f i e r si ns e c o n d a r ys i d e ， i n t r o d u c e sd s pb a s e da ni m p r o v e dc u r r e n td o u b l er e c t i f i e ra p p l i c a t i o n i nc o m p a r i s o n w i t ht h eb i gg a p tf o rs o f ts w i t c h i n go f t w ol e g si np s f bu s e df u l lw a v er e c t i f i e rc i r c u i l t h ei n t r o d u c e dc i r c u i tc a l lr e a l i z es o f ts w i t c h i n g 。f o rb o t hl e g si nw i d el o a dr a n g e i n a d d i t i o n ，t h ec i r c u i tc a l l 麟r i do ft h er e s o n a n ti n d u c t o rl i e si nt h ef u l lw a v e r e c t i f i c a t i o nc i r c u i t ，c o n s e q u e n t l y , t h ed u t yl o s sc a nb ev e r yl i t t l e m “o r eo v e r , t h e r e c t i f i e rd i o d e sh a v en a t u r et r a n s i t i o n , s on ov o l t a g es p i k ec a u s e db yd i o d e sr e v e r s e r e c o v e r y i nap l a t f o 雠b u i l ta r o u n dd s p 5 6 f 8 3 2 3 。t h es y s t e mi sc o n t r o l l e db yd s p c o m p l e t e l ya n dt h eo v e r - v o l t a g ea n do v e r - c u r r e n tp m t e c t i o na r ed o n ea l s o ，m o r e o v e r t h ed s pc a r lc o m m u n i c a t ew i t ht h e 删m a r ys i d ed s pw h i c hi su s e dg oc o n t r o la s o f t - s w i t c h i n gi n t e r l e a v e dp f c t h ec o m m u n i c a t i o nw i t lp ci sa l s ob u i i tt om o n i t o r t h es y s t e mo p e r a t i o n t h ep a p e rp r e s e n t sap s f bd c d cc o n v e r t e rw i t l lc u r r e n td o u b l e rr e c t i f i e r s b a s e do nt h ep l a t f o r mo fd s pm c 5 6 f 8 3 2 3 t h ep l a t f o 濂n o to n l yf i n i s h e st h ew h o l e c o m m lo f t h ed c d cc o n v e r t e rb u ta l s ot h em o n i t o rt o 龇s y s t e mi sa l s od o n ei nt h e p l a t f o r m t ou t i l i z et h ed s pf u l l y , m o s f e ti ss e l e c t e da sr e c t i f i e ri n s t e a do fd i o d e t h ed r i v em e t h o d sa r ei n t r o d u c e di nt h ep a p e ra n da n a l y s et h em e t h o do f s y n c h r o n o u ss i g n a lw h i c hi sg e n e r a t e db yd s ea tt h ee n d ，t h eo p e r a t i o no fc u r r e n t d o u b l e rr e c t i f i e ri sv e r i f i e db ya5 0 0 wp r o t o t y p e a n dt h es y n c h r o n o u sm o s f e t r e c t i f i e ri sa l s od o n ea n dt h ee x p e r i m e n tr e s u l ts h o w st h a tt h es y n c h r o n o u sr e c t i f i e ri s t b a s i h i e k e yw o r d s ：p h a s e s h i f t e df u l l b r i d g e ，c u r r e n td o u b l e ，d s p ，d i g i t a lc o n t r o l ， s y n c h r o n o u sr e c t i f i e r 承诺书 本人郑重声明：所黧交的学位论文，是本人在导师指导下。独立遴行研究 工作所取褥静成采。尽我所知，豫支中爨经注弼弓| 弼豹内容外，零学位论文静 研究成果不包含任何他人享有著作权的内容。对本论文所涉及的研究置作做出 黉簸酶箕铯个入帮集体，均已在文中醴稍确方式标瑗。 本人授权南京航空航天大学可以有权保留送交论文的复印件，允许论文被查 潞和蓿蠢，可敬将举谴论文懿垒郝或蘸分海容编入骞关数据淳送行裣索，露浚累 用影印、缩印或其他复制手段保存论文。 ( 缣密的学霞论文奁瓣密意遗舔本承诺书) 譬者签名： 日期： 南京航窖航天大擎颤学位论文 p s f b d s p p w m a d c z v s z c s s r p f c p l d 烈 s c i s p | 注释裘 p h a s e ，s h i f t e df u l l b r i d g e移相仝桥 d i g i t a ls i g n a lp r o c e s s o r数字信号处理器 p u l s e 戳d t 1m o d u l a t i o n 繇宽溺澍 a n a l o gd i g i t a lc o n v e r t e r 模数转换器 z e r ov o l t a g es w i t c h i n g零电器开关 z e r oc u r r e n ts w i t c h i n g零电流开关 s y n c h r o n o u sr e c t i f i e r 因步整流管 p o w e rf a c t o rc o r r e c t i o n功率阑数校正 p r o p o r t i o n 、i n t e g r a t i o na n dd i f i e r e n t i a t i o n 比例积分微分 p r o p o r t i o na n di n t e g r a t i o n 觅铡积分 s e r i a lc o m m u n i c a t i o ni n t e r f a c e 串行通信接：l s e r i a lp e r i p h e r a li n t e r f a c e 奉行矫设接瀚 南京航窄航天人学硕l 学位论文 图表清单 图1 1 两种整流方式b u c k 变换器8 图1 2 典型同步整流电路示意图8 图1 3 两种驱动电路示意图9 图2 1 移相控制全桥变换器主电路及主要波形l o 图2 2 全桥整流拓扑1l 图2 3 全桥整流各工作模态1 3 图2 4 全波整流拓扑1 3 ， 图2 5 全波整流各工作模态1 4 图2 6 倍流整流拓扑。1 6 图2 _ 7 倍流整流各工作模态1 6 图2 _ 8 同步整流移相全桥变换器1 8 h 图2 9 两种同步管驱动信号示意图2 0 图2 1 0c h a n n e l l 全波整流时桥臂中点电压波形：c h a n n e l 2 副边电压波形2 0 图2 1 l 全波整流时，2 3 载时，滞后管漏源极和驱动电压波形2 0 图2 1 2l l a 时倍流同步整流时，c h a n n e ll 桥臂中点电压；c h a n n e l3 变压器 副边电压波形2 0 图2 j31 1 a 时倍流整流( 二极管) 时，c h a n n e l1 桥臂中点电压：c h a n n e l2 变压器副边电压波形j 2 0 图2 1 41 a 时倍流二极管整流，c h a n n e l l ，2 分别为滞后管漏源极和驱动波形： c h a n n e l 3 为二极管上电压波形2 1 图2 1 51 1 a 时倍流二极管整流，c h a n n e l l ，2 分别为滞后管漏源极和驱动波形； c h a n n e l 3 为二极管上电压2 1 图3 1 倍流整流全桥电路结构图2 2 图3 2 倍流整流全桥电路各点波形图2 3 基于n s ca l ed s p 控制器酌移相全桥盏赢变换器 毽3 3 冬玎关模蠢等效电路强2 4 图3 4 断缕模态下波形图3 l 图3 ，5 断续对不同予连续摸态工作的等效激路3 2 图3 。6 系统软 牛构成3 4 图3 7 软件双环结构图3 5 鹭3 。8 主程序滚程黧3 7 图3 9 电压环中断程序流稷图3 8 踅3 ，l o 电流环中断程痔瀛猩霭3 9 图4 + l 同步m o s f e t 代替二极管倍波整流移期全轿彀路拓扑4 6 图4 2 两种同步整流驱动电路4 7 萤4 ，3 方法一对瘟熬霾步藩号模羧魄路声垒方法4 8 图4 q 方法：对应的同步信号模拟电路产， i 方法4 9 图4 。5 输出 乜压采样电路5 0 图4 6 娠边 电感电溅采样电路5 0 图4 7 主开关管驱动电路5 0 嚣4 。8 孛心对齐方式，+ 5 l 图4 + 9 中心对齐方式下，占空比的产生方法。5 2 图4 1 0 移糟角生成策略5 2 图4 。1 l 同步管驱动瞎号产生示意图。5 3 图4 1 2i o = l a 时，c h a n n e ll ，2 分别为滞后管驱动和漏源极电压：c h a n n e l3 巍整浚二极整毫压波形。一5 4 图4 1 3i o = l a 时，c h a n n e l1 ，2 分别为超前管驱动和漏源极电压：c h a n n e l3 为整流二投管电压波澎一5 4 图4 1 4i o = 5 a 时，c h a n n e ll ，2 分别为滞后管驱动和漏源极电压：c h a n n e l3 为魏辩二扳营电压液影5 4 南京航空航天i 学坝i 擘位论文 图4 1 5i o ：5 a 时c h a n n e li ，2 分别为超前管驱动和漏源极电压：c h a n n e l3 为此时二极管电压波形5 4 图4 1 6i o ：l i a 时，c h a n n e l1 ，2 分别为滞后管驱动和漏源极电压：c h a n n e l3 为此时二极管电压波形5 4 图4 ，1 7i o ：i i a 时，c h a n n e 1 ，2 分别为超前管驱动和漏源极电压：c h a n n e l3 为此时二极管电压波形5 4 图4 1 8i o ：i a 时，c h a n n e l1 ，2 分别为桥臂中点电压和变压器副边电压波形5 5 图4 1 9i o = 5 a 时，c h a n n e l1 ，2 分别为挢臂中点电压和变压器副边电压波形5 5 图4 2 0i o = i 1 a 时，c h a n n e ll ，2 分别为桥臂中点电压和变压器副边电压波形 ，! ；! ； 图4 2 1i o ：l i a 时，c h a n n e ll ，2 分别为桥臂中点电压和输出电压的脉动波形 图4 2 2i o ：i a 时，c h a n n e ll ，3 分别为滞后管的驱动和漏源极电压波形 图4 2 3 o = i a 时，c h a n n e l1 ，3 分别为超前管的驱动和漏源极电压波形 图4 2 4i o ：5 a 时，c h a n n e ll ，3 - 分别为滞后管的驱动和漏源极电压波形三 图4 2 5 o ：5 a 时，c h a n n e ll ，3 分别为超前管的驱动和漏源极电压波形 图4 2 6l o = l i a 时，c h a n n e l1 ，3 分别为滞后管的驱动和漏源极电压波形 圈4 2 7 【o = l i a 时，c h a n n e l1 ，3 分别为超前管的驱动和漏源极电压波形 图4 2 8l o ：i a 时，c h a n n e ll ，3 分别为同步管的驱动和漏源极电压波形 图4 2 9l o - 5 a 时，c h a n n e l1 ，3 分别为同步管的驱动和漏源极电压波形 图4 3 0i o = l i a 时，c h a n n e ll ，3 分别为同步管的驱动和漏源极电压波形 图4 3 1l o = l a 时，c h a n n e l1 ，3 分别为变压器副边电压和桥臂中点波形 图4 3 2 o ：5 a 时，c h a n n e 1 ，3 分别为变压器副边电压和桥臂中点波形 图4 3 3 【o = l i a 时，c h a n n e ll ，3 分别为变压器副边电压和桥臂中点波形 图4 3 4i o = li a 时，c h a n n e ll 输出电压纹波 表4 1 方法一得出的开关状态真值表 5 5 5 6 5 6 5 7 5 7 5 7 5 7 5 7 5 7 5 8 5 8 5 8 5 8 5 8 4 7 基于f r e e s c a l ed s p 控制嚣的移相全桥直赢变换器 表4 。2 方法二对应瓣囊僮表4 8 表4 3 改进趔倍流整流( 二极管) 效率 表4 4 改逶怒倍流整流( 同步管) 效率 5 6 5 9 南京航空航天大学硕士学位论文 1 1 电力电子发展概述 第一章绪论 电力电子技术诞生近5 0 年，近年来更是获得了突飞猛进的发展，已经形成较 为完整的学科体系和理论。现在，电力电子已发展成为- k 7 新兴学科。 电力电子技术是使用功率半导体器件对电能进行变换一包括电压、电流、频 率和波形等方面的交换，以达到使电能更好地符合各种不同用电设备的要求。 它以实现“高效率用电和高品质用电”为目标，是- 1 7 综合电力学、电予学、 控制理论等许多学科的交叉学科。电力电子的基本特点是以小信号输入控制大 功率输出，这就是电力电子设备成为强、弱电之间接口的基础；另一个基本特 点是工作在开关状态，正向压降低而反向漏电流小，从而在理论上保证了各类 电力电子设备共有的节能性能。我国缺电严熏，但另一方面用电严重浪费，矛 盾十分尖锐。电力电子技术的发展，正是解决这一矛盾的有力措施。i l j 3 1 早在2 0 世纪三四十年代，人们应用电机组、电抗器等对电能进行变换和控制。 1 9 5 8 年晶闸管的问世带来了电力电子学的革命，使之走出了雏形期。随后的2 0 年，开创了传统的“晶闸管及其应用”的电力电子技术发展的第一阶段。7 0 年 代中期，全控型器件可关断晶闸管( g t o ) 、大功率晶体管( g t r ) 以及功率 m o s f e t 和i g b t 的发展与广泛应用，电力电子技术进入了“全控型器件”的第 二阶段。8 0 年代以功率m o s f e t 和i g b t 为代表的、集高频、高压和大电流于一 身的功率半导体复合器件，表明传统电力电子技术已经进入现代电力电子技术 时代。i g b t 、m o s f e t 等新型电力电子器件因其性能先进，又具有明显的节能、 功能驱动作用，所以它在绿色电源、通信及计算机电源、变频调速、感应加热、 新型家电和电动交通工具等领域都有巨大的应用前景。目前在电力电子器件中， g t o 、晶闸管、整流管、i g c t 、g t r 的发展速度减缓：m o s f e t 场控半导体器 件以其优异的特性己成为主流器件，并将成为未来电力半导体器件研究的主流 【”。近年来，出现了碳化硅、砷化镓等新型材料，其中，用碳化硅( s i c ) 制作 的器件非常接近于理想器件。智能功率集成电路和高压集成电路的工艺和制作 技术是未来电力电子半导体研究的热点，该技术的突破和电力电子半导体器件 新材料的突破相融合，必然会发明更多更新、性能更好的新器件，如功率集成 基于f r c c s c a l cd s p 控制器的移相全桥直直变换器 电路( s m a r tp o w e r 、h v i c 等) ，以满足现代工农业发展的需要。随着新型器件 的不断涌现，为了充分发挥新器件的性能及满足波形产生、驱动、控制、保护 等方面的要求，要求通过采用新材料、新工艺，不断研发性能更加完善、智能 化程度更高、使用更加方便的新型控制芯片【2 。 在电力电子技术的应用及各种电源系统中，开关电源技术处于重要发展地 位。传统的线性电源庞大而笨重，如果采用高频开关电源技术，其体积和重量 都会大幅度下降，而且可极大地提高电源利用效率、节省材料、降低成本。 但电源频率的不断提高，电路中寄生电感、寄生电容的影响也愈发严重起来， 由此又对器件造成更大的电应力。为了提高电源的可靠性，国际上一些研究机 构正在开发“用户专用”功率模块，把一台整机的几乎所有硬件都以芯片的形 式安装到一个模块中，使元器件之间不再有传统的引线连接，这样的模块经过 严格、合理的热、电、机械方面的设计，达到优化完美的境地。只要把控制软 件写入该模块中的微处理器芯片，再把整个模块固定在相应的散热器上，就构 成一台新型的开关电源装置。 在2 0 世纪六七十年代前，电力电子技术完全是建立在模拟电路基础上的，模 拟电路一些固有的缺点使得模拟控制系统应用有很多的限制和缺陷。随着微电 子技术的发展，数字信号处理技术日趋完善成熟，显示出越来越多的优点：便 于计算机处理控制、避免模拟信号的畸变失真、减小杂散信号的干扰( 提高抗干 扰能力) 、便于自诊断等。以u p s 和变频器为例，早期产品的控制部分主要依靠 模拟电路，在2 0 世纪9 0 年代，开始逐渐采用单片机微处理器进行控制，目前已 开始采用数字信号处理器( d i g i t a ld i g n a lp r o c e s s o r ，简称d s p ) 进行控制。而静止 无功补偿装置( s v c ) 、静止无功发生器( s v g ) 、电力有源滤波器等电源装置，需 要对各种信号进行处理、运算，更离不开高性能的微处理器。现代电力电子技 术是采用高效节能、节约原材料、应用实用性极强的高新技术，有着很强的渗 透性、基础性，有助于实现自动化、智能化控制。 综上所述，未来电力电子的发展方向可以用“高频化、模块化、数字化”来 概括。随着新型电力半导体器件和适于更高开关频率的电路拓扑的不断出现， 电力电子技术将在实际需要的推动下快速发展，新技术的出现又会使许多应用 产品更新换代，还会开拓更多更新的应用领域，为国民经济许多重要行业服务， 将成为国民经济支柱产业的重要组成部分，成为机电一体化的基础技术之。p j 2 南京航空航天犬学硕士学位论文 1 2 数字信号处理器( d s p ) 在电力电子中的成用 d s p ( d i g i t a ls i g n a lp r o c e s s o r ) 是一种微处壤器，它接收横锨信号，转换为0 绒1 的数字信号，再对数字信号进行修改、删除、强化，并在其他系统芯片中 把数字数据勰译目模稼数据或实际环境格式。d s p 最突出酶掰大特甑是强大数 据处理能力和商运行速度。相对于普通微处理器而言，d s p 强调运算处理的蜜 时性，针对实辩数字信号处理，d s p 程处理器结梅、指令系统、指令流程上稚 有了很大改动。一般来说，d s p 普遍采用数据总线和程序总线分离的哈佛结构 藏改遴的晗镲结构，这样磁传统靛冯诺莜曼绥 奄有委高懿指令鸯 l | 行速度：d s p 还采用流水技术，每祭指令由片内多个功能单元分别完成取指、译码、取数、 执行等多骤，获褥在不提高霹镑频率麓情况下缩短指令魏行时溺。 随潜科技的发展以及芯片制造水平的提高，芯片的体积越来越小、速度越 来越快，傻褥数字处璎器芯片程毫力嗽子孛酶应用成湾霹髓。数字楚逢器芯片 的飞速发展，融给电力电子技术开拓了全新的发展空间，数字控制所具备的商 灵活注、准确、高速蟊譬箍等优点，矮德数字控嗣裙跑子模羧茬裁衣罄猿特豹 优势。目前在较大功率的交流电源( 典型如u p s 电源系统) 和马达控制等应用 场合，数字控裁技术b 缮蜀广泛运建崮，劳己褥舞泰场麴充努露定。数字薅号楚 理是以d s p 为核心的各种数字技术，根据应用场合的不同，分为很多种类， 般篷瑟专建d s p 彝蘧燃型d s p 。在龟力邀子皮蠲孛，蹩班控锻类d s p 是孩心， 将模拟控制数字化，模拟控制中采用的p i d 掇制数字、矢量掇制、智能控制等 都可戳农d s p 来实瑗。 随着d s pj 漆片发展，芯片主频的不断提高，其在电力电予领域的应用逐渐 扩震裂褰频诬，实对楚遴速度w 扩震至l 数吾k h z ，应建场合瞧突破了传统中频 d c - a c 逆变应用，而扩展到功率因数校正、有源滤波、高频d c d c 变换、交 蕊滚电源均滚劳联、毫滚综合罄理以及远程鉴谊等功枣邀子豹多个应翅场合。 本文针对工程上广泛应用的移栩全桥或直变换器，利用d s p 5 6 f 8 3 2 3 高性自信 号处理能力【q f 8 l ，涛数字控利引入到赢频d c d c 变换器孛，实瑷了模投控制熟 全部功能，同时实现了输出电魇、电流的实时髓示以及和p c 机通信等功能，体 瑰了数字控制鹣俊越性。 数字信号处理是针对传统的模拟信号处理而言，它利用计算机或专用处理 设备，以数字形式对信号进行采集、交换、滤波、估壤、增强、压缀、识别簿 基于f r e e s c a l ed s p 控制器的移相全桥鱼直变换器 处理， 丛得到符合人们震要瓣馈号形式。模熬电路缝成熬信号楚遴系统鸯缀多 的缺点。首先是精艘差，放大器的线性、可处理信号的动态范围等都有很多的 限制；此外还存在麓涩度漂移大，系统调试不方倭熬缺点；但模攘控剑也窍英 特有的优点，因为不存在数字系统中的采样及计算延时，所以模拟系统响应速 度快。恧数字信号处理d s p 系统其蠢接口方便、兼容性荮、可编羧、受环境湿 度阻及噪声的影响较小、可靠性高、精度崭、基本不受元器件参数性能变化影 响、可重复燃好、集成方倭喾一系列优点，在过去2 0 多年中，取褥了突飞獯进 的发展，在通信、语言、图像、雷选、生物医学、工业控制、仪器仪表等领域 得到了极为广泛的波用。耳髓，d s p 仍然是电子工业领域增长最邈速的领域之 ，据世界半导体贸易统计缀织发布的统计与预测撤告，预期2 0 0 6 年d s p 市场 将达剿1 4 i 9 亿美元，2 0 0 1 年至2 0 0 6 年的预期增长搴为2 7 ，2 ，且增长率是逐 年递增的。 d s p 芯片，也称数字傣号处理器，是种特别适合于谶行数字信号处理运 算酌微处理器，其主要应用楚实对快速地实现各种数字信静处理算法。根据数 字信号处理的要求，d s p 芯片般具有以下主要特点： ( 1 ) 在一个指令粥期内胃完成一次乘法和加法j ( 2 ) 程序和数据警闻分开，可以同时访问指令和数据： ( 3 ) 片肉爨有筷遮r a m ，遥零胃逶过猛立瓣数撂总线在程序与数裕中鬻瓣访 问； ( 4 ) 具鸯低开镄绒无开销鹱甄及黟转豹磺l 孛支持： ( 5 ) 快速的中断处理和硬件i ，o 支持； ( 6 ) 具有在单周期内操作的多个硬馋遗址产生器； ( 7 ) 可戳并行执行多个操作： ( 8 ) 支持流水线操作，取址、译码和执行等操作可以重叠执行。 2 1 【4 】 1 3d s p 5 6 f 8 3 2 3 芯片介绍 m o t o r o l a 公司程推出d s p 芯片方面相对比较晚。该公司于1 9 8 6 年推出了定 点处理器m c 5 6 0 0 1 ，在1 9 9 0 年推出了与i e e e 浮点格式兼容的浮点d s p 芯片 m c 9 6 0 0 2 。5 6 8 0 0 系剿d s p 怒m o t o r o l a d s p 产品中的低价彼系列，戳d s p 5 6 8 0 2 为例，批量定赞每片的价格已经降到了3 美元以下，5 6 8 0 0 系列的特点在于；( 1 ) 关键部分采掰双晗镶结穆，支持并行处理：( 2 ) 奁8 0 m h z 时钟频率下可这 4 南京航空航天大学硕士学位论文 4 0 m i p s 的指令执行速度；( 3 ) 支持1 5 种不同的寻址方式；( 4 ) 具有两个带有 扩展位的3 6 位累加器；( 5 ) 支持1 6 位双向循环移位：( 6 ) 支持位操作；( 7 ) 支持硬件d o 和r e p 循环指令；( 8 ) 支持可由用户灵活定义的多级中断优先级； ( 9 ) 具有3 条内部地址总线和1 条外部地址总线，具有4 条内部数据总线和1 条外部数据总线：( 1 0 ) 支持d s p 和m c u 两种功能风格的指令系统；( 1 1 ) 支 持软件子程序，中断堆栈空间仅局限于存储器空间大小。 d s p 5 6 f 8 3 2 3 是m o t o r o l a 公司最新的1 6 位定点d s p 型号，具有以下特征： ( 1 ) 内核 基于增强型内核5 6 8 0 0 e ，双哈佛结构； 6 0 m h z 主频时，运算能力达每秒6 0 兆条指令( m i p s ) ； 单指令周期可以完成1 6 x1 6 位的并行乘加运算( m a c ) ： 具有4 个带扩展位的3 6 位累加器； 支持算术与逻辑多位位移； 唯一寻址方式的并行指令集： 硬件d o 和r e p 循环指令： 具有3 条内部地址总线和4 条内部数据总线； 支持d s p 和m c u 两种功能风格的指令系统； 高效的c 编译器，支持局部变量； 支持软件子程序，中断堆栈空间仅局限于存储器空间大小； j t a g e o n c e 程序调试接口，允许在系统设计过程中随时进行调试， 并可对软件进行实时调试。 ( 2 ) 存储器 哈佛结构使得指令流水线支持三条对程序和数据存储器的访问指令 同时存在； 片内低功耗、高质量存储器： l6 k 程序存储f l a s h ，2 k 程序存储r a m ，4 k 数据存储f l a s h 和4 k 数 据存储r a m ( 3 ) 外设 一个脉宽调制模块( p u l s ew i d t hm o d u l a t o r ) ：包括6 路p w m 输出口， 3 路电流检测输入口和3 路故障信号输入口，支持自动死区设置； 两个1 2 位模数转换模块( a d c s ) ：包括8 路模数转换输入口，可对2 基于f r e e s c a l ed s p 控制器的移相全桥直直变换嚣 路模拟信号同时进行采样，a d c 与p w m 模块可由定时器t i m e rc 同 步； 两个1 6 位定时器单元( t m r ) ：对应7 个管脚，t i m e r a 与积分解码器 ( q u a dd e c o d e r ) 复用，t i m e rc 与p w m a 和a d c a 复用； 一个积分解码器模块：与t i m e ra 复用一个管脚： 个f l e x c a n 模块( c a n v e r s i o n 2 0 b c o m p l i a n t ) ：两个管脚，分别 对应数据传输与接受； 两个异步串行通信接口模块s c i s ( s e r i a lc o m m u n i c a t i o ni n t e r f a c e s ) ： 两个同步串行外设接口模块s p i s ( s e r i a lp e r i p h e r a li n t e r f a c e s ) ： 一个专门的外部中断管脚； 软件可编程芯片时钟 ( 4 )电气特性 高密度c m o s i 艺制造，兼容1 v r l 电平标准，可接受5 v 数字输入； 内部逻辑与存储器工作于2 6 v 3 3 v ； 片内含数字与模拟电路校正器以实现低功耗与低噪声； 接受等待于停止模式： 每个外设都可被单独禁用以降低功耗；【7 】【8 】【5 l 由上可见，d s p 5 6 f 8 3 2 3 时钟频率相对较高，相对于t 1 2 4 0 7 的4 0 m h z 1 4 】，已 经体现出很大的优势。该不仅有功能强大的内核，还拥有十分丰富的外设资源。 由于诸多数字控制系统常用的硬件资源被集成至u d s p 芯片中，只需配置少量外围 电路，可大大简化开发板的面积，方便开发人员的工作。从上可以看到，该d s p 有着比较高的主频，达到了6 0 m h z ，使得实时处理成为可能：1 2 位的a d 转换器 具有很高的精度，使得开发人员可以较好地控制输出；而脉宽调制模块p w m ， 包含6 路p w m 输出，可以设置为中心对齐和边沿对齐两种方式，6 路p w m 信号可 分别设置为独立、互补模式，其中独立、互补对数可以灵活设置，当两路p w m 信号工作在互补方式时，d s p 支持自动死区设置。该款d s p 是专门面向电机控制 设计的，p w m 模块在波形时序关系以及中断处理与同步等方面都有独具匠心的 处理。p w m 脉冲的频率可连续变化，各相位间的关系可以是边沿对齐的，也可 以是中心对齐的；方波的占空比可以从0 到1 0 0 。基于以上特点，使得 d s p 5 6 f 8 3 2 3 很适合应用在电力电子方面，适宜对开关电源的各种电路拓扑进行 控制。 南京航空航天大学硕士学位论文 d s p 5 6 8 0 0 内核提供高效的c 编译器，本数字控制器程序全部采用c 语言编写。 d s p 5 6 8 0 0 系列提供集成开发环境c o d e w a r r i o r ，相对于t i 的c c s 2 0 0 0 ，该软件体现 出了一定的独特优点。软件中集中了整个d s p 的资源，使用者可以按要求添加使 用到的部分，并且可以在其中直接进行初始化，而不必去对照手册查找各个控 制寄存器的每一位所对应的意义，然后去写控制字来达到自己的要求。它还带 有一个c 源码级的调试器，提供基于w i n d o w s 的代码调试功能，可视化地显示复 杂的数据结构和表达式的内容，大大加快了系统开发的速度。总之，c o d e w a r f i o r i d e 允许设计人员可视化地进行源代码编辑、链接、调试和内核仿真等多种操作。 1 4 同步整流的应用概述 整流电路作为d c d c 变换器的一个重要组成部分，对d c d c 变换器的整 机性能起者非常重要的作用。传统的整流器件是采用功率二极管，由于二极管 工作时，其导通压降较高，所以整流二极管上的损耗也比较严重。这种情况在 低压、大电流的场合下显得尤为突出。二极管整流电路带来的损耗极大地影响 着整个电路的效率。这种场合，人们用低压功率m o s f e t 代替二极管作为整流 器件，由于低压m o s f e t 的通态阻抗可以做到很小，所以可以有效地减小整流 电路中的损耗，从而提高整个变换器的效率。整流器件由于要求与电路工作要 求开关动作，而被称为同步整流管，与此相关的技术，也形成同步整流技术【1 6 1 。 所谓同步整流，就是用m o s f e t 代替常规的整流二极管来进行整流。根据 电路拓扑的要求，给出开关时序相应变化的栅极驱动信号，栅极驱动信号和 m o s f e t 开关动作接近同步，称为同步整流。 6 】 由于同步m o s f e t 是用来代替二极管作为整流器件的，所以，对其开通关 断有着严格的要求。而且，由于m o s f e t 体二极管的存在，为了使整流器件在 驱动信号无效时有着反向阻断能力，使得同步m o s f e t 不同于一般m o s f e t 的 使用，其电流必须由源极流向漏极。也就是说，同步整流管是工作在第三象限， 而不是一般情况下的第一象限。下面取最简单的b u c k 变换器来说明一下同步 整流管的使用。带同步整流的b u c k 变换器如图1 1 ( b ) 所示。 从图中可以看出，q 2 用来代替d 1 作为续流管。q 1 关断后，必然要求续流 管导通，在采用同步整流管时，此时给q 2 , d n a r 驱动信号，使其开通，满足续流 的要求。观察q 2 的使用，可以看出，q 2 工作时，电流是从q 2 的源极流向漏极 的。 基于f r e e s c a l ed s p 控制器的移相全桥直直变换器 1 4 1 典型的同步整流电路及同步整流驱动信号的产生 ( 1 ) 典型的同步整流电路 图1 _ 2 是典型的同步整流电路。其中，s r l 、s r 2 是同步整流管。 厂善争r | 毒k n 厂一l f 厂lt 。r 中约冉。卞 尸 l 。，j + ，。， r 。j ( a ) 普通b u c k 变换器( b ) 同步整流b u c k 变换器 图11 两种整流方式b u c k 变换器 图1 2 典型j 司步整流电路不意图 该电路的基本工作过程为：当v s e c 为正电压时，s r 2 开通；s r l 关断；当 v s e c 由正变负时，相应地，s r l 开通、s r 2 关断。两只m o s f e t 随着副边电压 信号的变化而动作着，达到整流的目的。 ( 2 ) 同步整流管驱动信号的产生 同步整流管驱动信号一般有两种方法可以得到。 a ：自驱动方法( 如图1 3 ( a ) ) 。自驱动就是由电路中直接得到同步管的驱动 信号。因为同步管的驱动信号是和变压器的副边电压信号对应的。由此，就可 以直接利用变压器的副边电压来驱动同步m o s f e t 。在变压器的副边电压的幅 值不适合作为驱动信号时，一般采用辅助绕组的方法来驱动，使得辅助绕组上 8 一+v 一一 南京航空航天大学硕士学位论文 的电压信号在合适的电压范围内，从而驱动同步m o s f e t 。该种方法的优点在 于电路简单，缺点在于驱动信号质量不佳。 b ：外驱动方法( 如图1 3 ( b ) ) 。外驱动就是用外部电路来产生驱动信号，使 得驱动信号符合电路的要求，从而驱动整流管。该方法可以获得非常精确的驱 动信号，但需要外加驱动电路，增加了电路的复杂性。 功 ( a ) 自驱动( b ) 外驱动 + r w 惭 图1 3 两种驱动电路示意图 本文最后采用的倍流整流同步控制，由于是数字控制系统，可以充分利用 d s p 资源，所以系统采用的是外驱动方法。 1 5 小结 本章中，概述了电力电子发展以及数字信号处理器( d s p ) 在电力电子中的 应用；介绍了本文使用的d s p 5 6 f 8 3 2 3 的特点的一些说明：最后，简要说明了同 步整流以及产生同步驱动信号的两种方法，并比较了两种方法各自的优缺点。 基于f r e e s c a l cd s p 控制器的移相全桥直直变换器 第二章移相全桥中几种副边整流拓扑的比较 本章中，主要对移相全桥直直变换器中常用的三种整流拓扑：全桥整流、 全波整流以及倍流整流电路做了分析，并比较三种整流拓扑的各自特点。给出 了全波整流和倍流整流下，副边用同步m o s f e t 作为整流器件后，d s p 控制实 现的方法。最后给出了实验结果，对比了倍流整流相对全波整流产生的优点。 2 1 移相全桥d c d c 变换器概述 在d c d c 变换器中，b u c k 、b o o s t 等单管构成的变换器一般用于小功率场合。 中大功率场合，一般采用全桥变换器，全桥变换器的控制方法很多，目前研究 较多的是移相控制方式【10 1 。移相全桥零电压开关变换器p w m 变换器结合了零电 压准谐振技术和传统p w m 变换器技术两者的优点，工作频率固定，在换向过程 中利用l c 谐振使器件零电压开关，在换向完毕后仍然采用p w m 技术传送能量， 控制简单、开关损耗小、可靠性高，是一种适合于大中功率开关电源的软开关 电路。 i ii ii ii ii i ； ：i ；峨i ：i ；qi ；：j j j ；j ；j i _ m ；1 1 ；a ，；q ；。 划i i i 11 | l ，t i i 7 4 埘 旧卜、 ： i溺饶 ( a ) 主电路( b ) 主要波形 图2 1移相控制全桥变换器主电路及主要波形 电路中开关器采用恒频移相控制方式，除死区时间外，每个桥臂的两个开关 器件成1 8 0 。互补导通，通过改变桥臂对角功率器件驱动信号移相角盯的大小来实 现输出电压的调节。当a = 0 “时，q l 和q 4 或q 2 和q 3 同时导通，输出电压达到最大 值：当o = 1 8 0 。时，q 1 和q 2 或q 3 和q t 同时导通，输出电压为零；假定q t 比q 4 提前 a 开通( 或q 3 l l q 2 提前a 开通) ，则q l 和q 3 组成超前桥臂，q 2 ：j ：f l q 4 组成滞后桥臂， l o 南京航字航天夫学顾l 学位论文 移相角d 的范围为( ) l8 “。 变换器中，整流拓扑对整个系统的性能有着重要的影响。在不同的应用场合 下，有不同的整流拓扑可以应用。通常，在输出高压时，选择全桥电路作为整 流拓扑：全波整流由于结构简单，是用得最多得整流拓扑，但它同样存在一些 问题，滞后管无法利用副边输出电压上的能量来实现软开关。而为实现滞后管 的软开关，通常会在原边串连个谐振电感，以帮助实现滞后管的软开关【“1 。 但是，谐振电感的引入，又产生了新的占空比丢失的问题。谐振感越大，占空 比丢失越严重。另外，变压器需要两个副边绕