基于软开关技术的开关电源设计

1、太原科技大学毕业论文基于软开关技术的开关电源设计 太原科技大学教务处二一五年五月摘要随着电力电子技术的不断发展，开关电源凭借自身效率高、体积小及控制灵 活等一系列优越性，广泛应用于航空航天、计算机通信以及自动控制等领域，并 有逐步取代传统线性稳压电源的趋势。因此，不断提高开关电源性能是开关电源 市场所需要的，其中就包括功率因数校正（PFC）技术和软开关技术。本文从 Boost 变换器入手，分析了其工作原理和在单级功率因数校正方面的应用。结合全桥变换器拓扑，本文提出了开关电源的新型拓扑应用，即基于全桥架 构的单级 PFC 电路拓扑。该新型拓扑结合了 Boost 变换器和全桥变换器的优点， 兼具功

2、率因数校正和较大功率应用的优势。同时，为了提高开关电源效率，本文 在电路设计中加入了钳位电路，通过合理设计驱动信号时序，实现开关管的零电 压开通的软开关技术。在系统控制策略选择上，本文采用单周期控制技术。该控制技术的理念新颖， 将其应用于有源功率因数校正电路中，可以大大减小电流畸变和实现较高功率因 数。同时，该控制技术取消了传统控制方法所必须的乘法器，较低了控制电路的 设计难度，是当前一种很有应用前景的控制策略。在此基础上，完成了系统的控 制算法编写。通过系统地分析，本文设计了一台基于上述理论，功率级别为 1KVA 的开关 电源样机，采用市电输入，直流稳压输出。详细分析了主电路参数设计，介绍了

3、 各个功能模块的电路设计。最后展示了开关电源样机的各个测试信号，得到较为 理想的开关电源输出电压和较为良好的单级 PFC 效果。由此，验证了本开关电源 设计的正确性和可行性。关键词：开关电源，单级 PFC，软开关，全桥，单周控制ABSTRACTWith the development of power electronics, switching power supply which is of many advantages, such as: high efficiency, small volume and flexible control strategies, and so on,

4、is widely used in aerospace, computer communication and automatic control and other fields. Therefore, to improve the performance of switching power supply is required for switching power supply market, including power factor correction and soft switch technology.This paper starts from the Boost con

5、verter analysis, including its working principle and application in the field of single-stage power factor correction (S2-PFC). Combined with the full bridge converter topology, this paper presents a new topology of switching power supply, which is based on a single-stage PFC circuit topology of ful

6、l bridge structure. The new topology combines the advantages of Boost converter and full-bridge converter, and the new one can be used in large power application with the purpose of the power factor correction. At the same time, in order to improve the efficiency of theswitching power supply, this p

7、aper joined the clamp circuit in the circuit design.On the system control strategies, this paper adopts One-Cycle-Control (OCC) technology. This control technology that is use in the active power factor correction circuit can greatly reduce the current distortion and realize the high power factor. M

8、eanwhile, the control technology will not use the multiplier as the traditional method, and reduce the difficulty of design of control circuit.Through the systematic analysis, a set of switch power supply prototype, whose power volume is about 1KVA, is finished preliminarily based on the above theor

9、y. Switch power supply prototype inputs the grid AC voltage, outputs DC voltage steadily. Analyze the main circuit parameter, and describe the circuit design of each functional module. At the end, present each test signal of the switching power supply prototype, which could improve the correctness a

10、nd feasibility of the theoretical analysis and engineering design.Keywords: Switching power supply, S2-PFC, Soft-Switching, Full-Bridge, OCC目 录第一章 绪 论.11.1 开关电源概述 . 11.2 开关电源国内外发展现状与趋势 . 21.3 本论文的研究背景、目的及意义 . 41.4 本文所做的主要工作 . 5第二章 开关电源系统硬件设计.342.1 主电路模块参数设计 . 342.1.1 整流电路参数设计 . 342.1.2 输入电感的参数设计 . 3

11、52.1.3 输出电容的参数设计 . 362.2 控制模块芯片选择 . 382.3 信号采样模块硬件电路设计 . 382.3.1 输入电压采样电路 . 382.3.2 输入电流采样电路 . 392.4 高频变压器参数设计 . 392.5 驱动模块硬件电路设计 . 41第三章 单周期控制技术软件实现 .43 3.1 单周期控制策略系统软件设计 . 51 3.2 系统主程序设计 . 52 3.3 中断服务子程序设计 . 53 3.4 PI 调节子程序设计56第四章 系统实验结果分析.594.1 各个功能模块调试结果及分析 . 594.1.1 采样电路模块的调试 . 594.1.2 控制电路模块的调

12、试 . 614.1.3 驱动电路模块的调试 . 624.1.4 辅助电源模块的调试 . 634.2 开关电源系统实验结果及分析 . 634.3 本章小结 . 65第五章 结论.665.1 全文总结 . 665.2 工作展望 . 66致 谢 .68参考文献.69第一章 绪 论1.1 开关电源概述电源是电子设备的重要组成部分，其性能的好坏直接影响着电子设备运行的 安全性和可靠性。目前常用的直流稳压电源可分为线性稳压电源和开关稳压电源。线性稳压电源，是指稳压电源电路中的功率调整管工作于其线性放大区，工 作原理为：将工频电网电压经线性变压器降压后，通过整流、滤波以及线性稳压 处理，最终输出所需的直流电

13、压1。线性稳压电源虽然具有一系列优点，如：瞬态响应速度快；输出纹波电压较 小；工作噪声低；电源稳定度较高等。但是由于其自身拓扑结构，同时也有一系 列的缺点，如：转换效率较低，通常情况下只有 45%左右；电源系统体积较大， 重量较大，不利于小型化，并且原材料消耗更多而成本较高；输入电压的动态范 围比较小等。这些缺点成为其长远发展的巨大障碍2。开关电源，又称变换式电源、开关变换器，是一种利用现代电力电子技术实 现高频化电能转换的装置。通过控制开关管的开通时间和关断时间比率，将一个 标准的电压转换为所需的电压或电流。开关电源的输入电压来源一般是蓄电池， 光伏电池，燃料电池或者通过整流器输入3。相较于

14、线性稳压电源而言，开关电源自身优点在于：(1) 电源系统内部功耗较小，转换效率较高。功率开关晶体管在驱动信号的激 励下，周期性地工作在开-关状态，这就使得开关管的功耗很小，大幅提高了电源 系统效率，一般电源系统效率都能达到 90%以上。(2) 电源产品体积较小，重量较轻。由于高频技术的成熟应用，现代开关电源 不再使用传统的工频变压器，并且由于功率开关晶体管耗散功率降低而可以采用 较小的散热器件，所以开关电源具有较小的体积和较轻的重量，节省了相应的原 材料成本。(3) 稳压范围较宽，线性调整率较高。开关电源的输出电压是根据驱动信号的 占空比来实现调节的，一旦输入信号电压发生变化，则可以快速相应地

15、通过调节 开关频率或调节驱动脉冲宽度来保持稳定的输出。(4) 滤波效率较高，同时极大地减小了滤波电容和滤波电感的体积。开关电源的功率开关晶体管开关频率较高，目前成熟应用技术基本都在 50kHz 以上，是以 往线性稳压电源工作频率的 1000 倍以上，所以相比而言，开关电源的滤波效率也 几乎提高了 1000 倍。(5) 电路拓扑选择余地大。常见的有调频式和调宽式；升压式、降压式和升降 压式；单端式和双端式等。设计人员可以充分利用各类电路拓扑的特长，设计出 应用于各种场合的优质开关电源。1.2 开关电源国内外发展现状与趋势(1) 功率半导体器件的发展在近 20 年的时间里，一大批优秀的功率半导体器

16、件的研发成功极大地推动了 开关电源的快速发展，这些器件现在已非常常见，如电力晶体管 GTR，功率 MOSFET，绝缘栅极双极性晶体管 IGBT 等，这些器件均是基于硅晶片研制而成。 21 世纪最有希望研制成为优秀功率半导体器件的是一种叫做碳化硅（SiC）的新型 功率半导体器件。其优点是：宽禁带，热稳定性好，通态电阻小，导热性好，漏 电流小等一系列优秀电气特性，非常适合制造成耐高温的高频大功率功率半导体 开关器件，如：SiC 功率 MOSFET，SiC 型 IGBT 等等。(2) 高效率和软开关技术 工作于开关状态的开关电源，功率开关晶体管的损耗主要包括开通损耗和关断损耗，为此，研究人员研究了在

17、开关过程中开关器件的电流和电压波形不相交 叠的技术，即零电压开关（ZVS）和零电流开关（ZCS）技术，总称软开关技术， 理论上使功率开关晶体管的开关损耗为 0，在减小开关损耗的同时，还大大降低了 开关噪声，减小了电磁干扰。据报导，最近国外小功率 DC-DC 转换器开关电源模块（48V/12A）总效率可达到 96%；48V/5A DC-DC 转换器开关电源模块的效率可 达到 92%93%。20 世纪末，我国自行生产的通信用 50100A 输出，全桥移相式 ZVS-PWM 开关电源模块效率已超过 93%。DSP 的计算辅助软开关技术的应用， 可以有效提高变换器效率，同时，很多高效率的拓扑通过高级非

18、线性数字控制技 术使开关电源在全工作范围内的性能都得到优化5。1.3 本论文的研究背景、目的及意义自 20 世纪 50 年代发展起来开关电源 PWM 调制技术，其功率开关管工作在硬 开关（Hard Switching）状态，在开通和关断的时候，电压和电流存在一定的交叠， 所以会产生相应的开关损耗（Switching Loss）。在一定的条件下，功率开关管在每 个开关周期中的开关损耗是一定的，那么，开关损耗和开关频率是成正比关系的， 开关频率越高，开关电源的总体效率反而越低，从这一点上来说，开关损耗限制 了开关电源的高频化发展，也就限制了其小型化和轻量化的发展。此外，硬开关工作状态的功率开关管还

19、会产生很高的瞬时电流和电压冲击， 产生较大的电磁干扰（EMI），同时也会对功率开关管本身造成很大的冲击而损坏。软开关技术的实现，为解决上述问题提供了一种有效的技术手段，有利于减小开 关损耗，有利于提高开关频率。软开关技术目前已广泛应用于开关电源设备当中。由于应用场合对开关电源的要求不断提高，研究人员对开关电源系统的输入 功率因数和谐波污染等课题有了更加深入的探讨。本文基于上述课题背景，在开 关电源的设计过程中，运用单级 PFC 技术，并融入软开关技术，结合全桥架构， 探索开关电源在较高功率应用场合下单级 PFC 技术的工程设计，并优化开关电源 性能。1.4 本文所做的主要工作本论文研究的主要目

20、的是优化现有采用单级 PFC 技术的 Boost 变换器在较大 功率应用场合时的实现方案，设计输出功率为 1KVA、工作频率为 20kHz 的开关 电源样机。主要包含如下工作：(1) 分析基本的 Boost 变换器和全桥变换器的工作原理，分析 APFC 技术的工 作原理和实现方式。在此基础上，针对目前单级 PFC 技术主要应用于功率小于 300W 的场合且功率因数普遍低于 0.85 的现状，提出采用单级 PFC 结构实现 1KVA 功率级的开关电源设计方案，同时设计钳位电路实现开关管的零电压开通，并对 基于该结构的主电路进行工作原理的详细分析。(2) 在理论分析完善的基础上，设计系统的硬件电路

21、，用以研制理论设计的可 行性。主要硬件电路模块包括控制电路模块，采样电路模块，主回路电路模块， 驱动电路模块，辅助电源模块，高频变压器模块。根据系统设计要求，对系统中 主要的硬件电气参数进行理论分析和计算。(3) 设计基于单周期控制技术模式的数字 PFC 控制算法，分析该算法的实现原 理以及优势所在，通过小信号建模分析了 PFC 控制的稳定性。编写系统控制程序， 实现系统稳定输出。(4) 本设计开关电源具有较高的整机效率，较为宽泛的输入电压范围。尤其是 在单级 PFC 技术的应用方面，在千瓦级功率应用场合，本设计开关电源样机功率 因数高于目前同技术路线下功率因数为 0.80.9 的技术现状，具

22、有较为优良的市场 应用价值。开关电源样机的主要设计指标为：（I）输入电压 Vin：市电输入 AC220V（115%），50Hz；（II）输出电压/电流 Vout：DC96V/10A；（III）功率因数 PF：050%负载时，大于 0.85；50%100%负载时，大于 0.90；（IV）整机效率 ：90%；（V）具有输入过电流，过电压，欠电压保护功能，输出过电流和过载保护等 功能。第二章 开关电源系统硬件设计在第三章对开关电源系统工作原理分析的基础上，本章主要对开关电源的主 电路参数进行设计。开关电源系统采用模块化设计思路，便于分类设计和测试。 硬件电路模块主要包括主电路模块，信号采样模块，控制

23、模块，驱动模块，辅助 电源模块。2.1 主电路模块参数设计2.1.1 整流电路参数设计2.1.1.1 输入整流桥的选择系统输入为工频市电，其理论峰值为 311V，有效值为 220V。设计 23 倍的 输入电压峰值裕量，整流桥堆耐压应为 622933V。考虑系统输出功率为 1KVA， 故整流桥堆正向导通的平均电流应大于 5A，则设计 23 倍的输入电流峰值裕量， 则峰值电流应设为 20A 左右。综合这些因素，系统选用 Won-Top Electronics 公司 的整流桥堆 KBPC3508，其主要参数为：(1) 最大反向重复峰值电压 URRM：800V；(2) 最大有效值电压 URMS：560

24、V；(3) 最大输出平均电流 IAV：35A；(4) 工作温度范围 TJ：-55+125。2.1.1.2 输出端整流电路参数设计由于输出端整流电路工作在高频状态，故需要考虑整流二极管的工作频率问 题。系统功率开关管工作频率为 20KHz，直流输出电压为 96V，输出电流为 10A。 由此选用仙童公司生产的快恢复二极管 RHRP3040，其主要参数为：(1) 最大反向重复峰值电压 URRM：400V；(2) 最大输出平均电流 IAV：30A；(3) 工作温度范围 TJ：-65+175；(4) 最大恢复时间 t：40ns。2.1.1.3 逆变桥硬件电路设计在第三章主电路工作原理分析的基础上，设计了

25、如图 4-1 所示的逆变器主电 路。开关管的 G 极通过反串联的稳压管构成限幅器，保证了+15V 开通驱动和-9V 的关断驱动电压，避免造成开关管的损坏和误开关。工程设计中，为了减小功率 开关管承受的开关应力，需要额外设计缓冲电路。以开关管 Q7 为例，电容 C108 和电阻 R108 在 Q7 关断瞬间，吸收了较大的电压尖峰，减小了 Q7 所受到的冲击 电压。电容 C3，二极管 D3、D4 以及电阻 R28、R29、R30 构成 RCD 缓冲电路， 对开关管形成关断缓冲电路，有效保护功率开关管。MR88G5R81D88F11Q11R89C118 G1R125R43Q7R41R7F5 D41C

26、108C3 R108D3R25R28G2R29R64 R62F7 D71Q9R13C111C6 R111D5R31R34R35C_LR30C_NR36R54G3Q8C105 D4R26R74G4Q10C114 D6R32C17 R52F6 D51R10R105C4 R27R72F8 D81R16R114C5 R33N图 4-1 逆变桥电路原理图2.1.2 输入电感的参数设计输入电感的设计决定了输入端高频纹波电流含量，同时，也会影响输入电流 的跟踪速度。一般情况下，输入电感的设计原则是按照限制纹波电流来设计的。 从极端情况考虑，即输入电压最小而输出功率最大时，输入电流和纹波电流都是 最大的。当开

27、关管开通时，输入电感电流开始线性增加，电感两端感应电势 Es 为E = L di = L i（4-1）sdtDT式中，D 为占空比，i 为纹波电流，T 为开关周期值。式（4-1）变换形式可得到电感 LL= DTEsi（4-2）由设计参数可知，输入电压最小值 Uimin 为 187V，输出功率 Po 为 960W，系统 效率 为 0.9，则输入电流峰值 Ipk 为I pk =2Po Uimin （4-3）带入参数数据计算 Ipk 为 8.07A。一般设定最大纹波电流 i 为输入电流最大值的20%，则i = 20%I pk = 20% 8.07 = 1.61A（4-4）由于当输入电压为最小值峰值时

28、，输入电流为最大值峰值，即此时的纹波电 流也达到最大值，故应计算此时的占空比 DD= Ub -UiUb（4-5）其中，Ub 为 Boost 升压环节输出电压，本系统设计为 400V。代入式（4-5）可得占 空比 D 为 0.39。至此，在开关周期 T 等于 50s 时，将上述求得数据代入式（4-2）就可以得到 输入电感理论值为 639H。2.1.3 输出电容的参数设计输出电容的设计原则主要考虑的因素有：(1) 与开关频率同频的纹波电流；(2) 二次谐波，即频率为 100Hz 的纹波电流；(3) 输出电压峰值；(4) 输出电压纹波及其维持时间。一般要求电压纹波系数 5%，本文设计电压纹波系数 为

29、 5%，设输出电压 纹波量为 Uo。根据输出电压的纹波大小，输出功率，输出电压的维持时间得到 电容的计算公式：Co = U 22Po t-U 2（4-6）o maxo min式中，Po 为输出功率，t 为输出电压纹波维持时间，Uomax 和 Uomin 分别为输出电 压最大值和最小值。依照设计参数带入数据可得输出电容理论值应该为 106F。实 际应用时，一般选择电解电容。电解电容具有一系列优点，比如漏阻比较低，工 作范围比较宽，使用寿命比较长。另外，从提高系统的可靠性和稳定考虑，所选 用的电容必须保留足够的安全裕量。本系统设计 3 倍安全裕量，实际采用 3 只 CD13系列的容量值为 100F

30、、耐压值为 300V 规格的电解电容并联使用的设计方案。2.1.4 钳位电容的参数设计因为变换器的最大关断时间等于谐振周期的一半，故有 Cc Lp = (1 - Dmin )Tc（4-7）整理式（4-7）可以得到钳位电容 Cc 数量值表达式(1- D)2 T 2Cc =minc 2 L（4-8）p代入设计参数可得 Cc 电容设计理论值为 37F。2.1.5 功率开关管的选择IGBT 器件兼具 MOSFET 器件和 GTR 器件的优良特性，具有一系列优良的电 气特性30：(1) 开关速度高，开关损耗小。有资料记载，在电压 1000V 以上的情况下，IGBT的开关损耗大概只有 GTR 开关损耗的

31、10%，与电力 MOSFET 的开关损耗相当；(2) 在相同的电压和电流定额情况下，IGBT 的安全工作区比 GTR 的安全工作 区更大，并且 IGBT 比 GTR 更耐脉冲电流冲击；(3) IGBT 的输入阻抗高，其输入特性与电力 MOSFET 相似；(4) 驱动功率低，驱动电路简单。IGBT 功率器件产品自 1986 年投入市场以来，迅速扩展到电力电子技术的各 个领域，成为中小功率电力电子设备的主导器件，并且朝着更高的功率应用场合 发展。根据本系统功率等级和工作频率要求，选用英飞凌公司型号为 IKW40T120 的 IGBT，其主要电气参数为：(1) 最大集射极间电压 UCE 为 1200

32、V； (2) 最大集电极电流 Ic 为 40A；(3) 最大短路时间 tsc 为 10us； (4) 最大开关频率 50KHz；(5) 工作温度范围为-40+150。2.2 控制模块芯片选择系统采用 TI 公司的 TMS320LF2407A 芯片构建数字控制模块。该系列的 DSP 体系结构非常适合实时信号处理，具备强大的实时处理能力，同时集合了控制器 外设功能，为控制系统综合应用提供了很好的解决方案。TMS320LF2407A 芯片的主要特点有31：(1) 运算速度快，最大运算能力为 40MIPS，大大提高了控制的实时性；(2) 包含两个事件管理器（EVA，EVB）。每个事件管理器包含两个 1

33、6 位通用 定时器，8 个 16 位脉宽调制通道，3 个捕获单元；(3) 内部集成 10 位 AD 转换器，最快转换时间仅 500ns；(4) 丰富的片内存储空间，包括 32K 字的 Flash 程序存储器，1536 字的数据/ 程序 RAM，544 字 DARAM，2048 字的 SARAM。2.3 信号采样模块硬件电路设计信号采样模块按照采样对象分类主要包括电压采样电路，电流采样电路，输 入电压过零捕获电路。因采样原理相似，在此主要介绍输入电压采样电路设计和 输入电流采样电路设计。2.3.1 输入电压采样电路输入市电电压采样电路如图 4-2 所示。输入电压 ui 通过隔离大电阻 R1-R8

34、 后， 经过由电阻 R9 和 R1-R4 组成的第一级反相放大器电路。已知输入电压理论峰值为 311V，再预留 10%的安全裕量，可得输入电压峰值为 342V，经第一级方向放大器 转换，输入电压信号转换为-3.3+3.3V 的电压信号 ui1。在此基础上设计第二级增 益 Av2 为 0.5 同相加法器。同时引入基准电压信号+3.3V，与 ui1 一起作为第二级同 相加法器的输入，由此得到 0+3.3V 的电压信号 ui2，再经一级起缓冲隔离作用的 电压跟随器，最终得到输入 DSP 的 IO 口采样信号 uo1。图 4-2 输入电压采样电路极端情况下采样信号电压过高时，这可能造成 DSP 芯片的

35、损毁。为此，在采 样电路末端增设幅值为+3.3V 的限幅电路。另外，为了避免高频信号干扰输入电压采样信号，在采样电路末端增设 RC 低 通滤波电路。2.3.2 输入电流采样电路输入电流的采样采用了霍尔电流传感器，根据系统功率级别和安全裕量考虑， 采用 LT30-C 型号的霍尔电流传感器。霍尔电流传感器电流变比为 1000:1，电流信 号经过采样电阻过后转换为电压信号，这样就可以采用类似输入电压采样的采样 电路，电路工作原理基本类似，在此不作赘述。输入电流采样电路原理图如图 4-3 所示。图 4-3 输入电流采样电路2.4 高频变压器参数设计高频变压器主要起电气隔离和电压调节的作用，其设计需要考

36、虑众多参数， 如电压，电流，漏感，频率，铜损，铁损等等。同时，还要考虑高频工作时的高 频特性，如涡流效应、高频铁损、瞬态饱和等等。2.4.1 变压器匝比计算高频变压器的一次侧和二次侧的匝比值 K 的计算原则是在极端输入情况下， 即最低输入电压且最大占空比的情况，保证输出电压满足设计要求上限，并考虑 系统自身压降和一定的裕量，计算公式为K= 2D U1U2式中，U1 为变压器一次侧电压，U2 为变压器二次侧电压。（4-9）考虑二次侧整流二极管典型压降为 0.85V，变压器自身压降为 0.2V，故实际 变压器二次侧电压理论值应为U2 =Uo + 2 0.85 + 0.2 = 97.9 V（4-10

37、）则在最大占空比时，即 D 为 0.39 时，由式（4-9），式（4-10）可得理论最小匝比Kmin 为 2.11 左右。2.4.2 绕组匝数计算由法拉第电磁感应定律可知Up = Kf fs Bw N1Ae（4-11）式中，Kf 为波形系数，方波信号值为 4；Bw 为工作磁通密度，本文设计为 0.4；Ae 为磁芯有效截面积；N1 为变压器一次侧绕组匝数；fs 为开关工作频率，Up 为变压 器一次侧电压。由式（4-9），式（4-11）就可得到变压器一次侧绕组匝数和二次侧绕组匝数理 论值分别为 248 和 118。2.4.3 高频变压器分布参数分析高频变压器传递的是高频脉冲方波。由于变压器漏感的存

38、在，开关器件关断 瞬间，漏感两端会产生尖峰电压，开关器件就会受到瞬间尖峰电压冲击。如果在 设计中采用了缓冲电路，但也会因此形成较大的开关损耗。另外，如果高频变压 器的漏感过大，还会造成一定的占空比丢失。减小漏感主要从几个方面着手：减少绕组匝数；减少绕组厚度；较少绕组间 绝缘厚度；一次绕组和二次绕组交叉绕制等。减小分布电容的主要方式有：绕组分段绕制；正确安排绕组极性；采用静电 屏蔽等。2.5 驱动模块硬件电路设计选用三菱电气公司生产的 IGBT 驱动专用芯片 M57962L，该芯片是以一种高 速驱动芯片，内部集成过流保护电路，具有封闭性短路保护功能。驱动电路提供+15V 开通电压，-9V 关断电

39、压。单路驱动电路原理图如图 4-4 所示，其中，M57962L 的 13、14 脚为 PWM 输入信号端，5 脚为 PWM 功率驱动输出信号端。稳压二极 管 Z92 用于防止二极管 D91 被击穿而造成 M57962L 的损坏。1、2 脚为故障信息 检测端，一旦检测到故障信号，立即通过其光耦发送关断信号，关闭驱动信号输 出，达到保护 IGBT 模块的目的。R91U911 IN+ B 65V2 IN- C 5E4R924N25PROTECT9C9185V14 DAU9 Dpin 1Fout5D91C9G9R95R9413 DKVoutVcc424V-9C963DS9137 72 2 C94 C9

40、2 R93Z92XPWM910 109 9 VEE 6M57962LZ91C95E9 C93GND9图 4-4 单路驱动原理图第三章 单周期控制技术软件实现单周控制技术（One-Cycle Control，OCC）最早是由美国学者 Keyue M.Smedley 和 Slobodan Cuk 教授于上世纪 90 年代期间提出的一种非线性大信号 PWM 控制理 论。通过控制开关占空比，使得每个开关周期中的开关整流器二极管输出的脉冲 波形平均值严格等于或者正比于控制参考量，平均输入电流跟踪参考电流，并且 不受负载电流影响。单周控制技术最初是用于 DC-DC 变换控制当中的32-33。随着 该控制技

41、术的不断发展演变，逐渐应用于开关功率放大器34、有源电力滤波器 35-37、功率因数校正器38等领域。将单周控制技术引入有源功率因数校正领域， 可以实现低电流畸变和高功率因数，是一种很有发展前景的控制方法39。随着数 字控制技术的发展，新型的数字控制算法也在迅速发展，并取得了一些有效的成 果40-41。3.1 单周期控制系统软件设计系统软件编写主要采用的是 C 语言编写，因为需要对 DSP 芯片数据存储空间 进行配置等操作，混合了一部分汇编语言。系统软件主要完成的功能有：(1) 初始化系统工作环境，并按照控制要求重新配置系统，包括寄存器的设置，程序存储器的设置，数据存储器的设置等；(2) 对系

42、统控制所需的信号进行采集，如：交流输入端输入电压信号、输入电 流信号，升压电感电流信号，输出端直流电压等采样信号，将采集的到的信号数 据进行相关转换，实时监测系统工作状态，为控制算法的实现提供保障；(3) 根据采样信号处理结果，结合单周期控制策略，实现系统双环控制算法， 控制钳位开关管和桥臂开关管的开关；(4) 监测开关电源系统工作过程中的过流，过压，欠压等故障信号，合理设计 安全阈值，保障系统工作安全可靠。在控制实现过程中，调用的 DSP 资源情况如表 5-1 所示。表 5-1 DSP 内部资源使用情况列表DSP 模块功能模数转换模块（ADC）ADCINA2输入电压采样ADCINA3输入电流

43、采样ADCINA8输出电压采样ADCINA9输出电流采样事件管理器(EVA)PWM1输出开关管 Sc 驱动控制信号事件管理器(EVB)PWM7输出开关管 S1 驱动控制信号PWM8输出开关管 S2 驱动控制信号PWM9输出开关管 S3 驱动控制信号PWM10输出开关管 S4 驱动控制信号通用输入输出端口（GPIO）IOPB0输出过流保护IOPB1输入过压保护程序设计的最终目的就是要生成钳位开关管和桥臂开关管的驱动控制信号， 再通过驱动电路模块，控制开关管的开通和关断，实现系统控制算法，保障系统 按照设计要求稳定输出。完整的 DSP 程序包括主程序，子程序以及一些相应的中 断服务程序。3.2 系

44、统主程序设计主程序主要包括各个功能模块的初始化程序，主循环程序，定时器初始化程 序。初始化程序主要包括系统工作环境初始化，事件管理器 EVA 模块初始化，事件管理器 EVB 模块初始化，ADC 模块初始化，系统变量初始化等。实际工作过程 中，主程序中的主循环程序处于等待中断服务子程序的状态，一旦发生中断，马 上进入相应中断服务程序执行相应程序，完成后再返回主循环程序，继续等待中 断发生。需要注意的是，由于滤波电容的存在，系统输出电压的建立需要通过软启动 的方式实现，避免启动瞬间过大占空导致输入电感饱和而对系统造成损害。软件 设计采用逐级启动的方式进行，通过逐渐加大基准电压信号，逐渐加大输出电压

45、。 同时加入过流、过压等保护程序，一旦检测到超过程序设定安全阈值的过流或者 过压信号，系统触发相应的软件保护机制，关断系统 PWM 输出信号，实现系统的 软件保护。系统主程序流程图如图 5-8 所示。图 5-8 系统主程序流程图3.3 中断服务子程序设计中断服务程序主要包括 AD 采样和占空比计算更新两个部分。TMSA 提供了 6 个可屏蔽中断，采用集中化中断扩展设计以满足用户对大量外设中断的 设计需求。本程序采用了三个中断，分别是 INT1 中断，INT2 中断和 INT4 中断。INT1 中断设计主要包括信号采样和驱动功率保护。定时器 T1 周期中断启动 ADC 采样，AD 采样主要包括信

46、号数字滤波处理，相关数据转换运算及存储。根 据采样信号，通过与设定的信号安全阈值比较，判断是否关断 PWM 输出信号，达 到软件保护的作用。另外，对应的硬件保护采用的是驱动功率保护，通过相应 DSP 引脚监测过流过压信号，一旦引脚对应设置的触发机制生效，立即关断所有信号 输出。INT1 中断程序流程图如图 5-9 所示。图 5-9 INT1 中断程序流程图INT2 中断入口分别是通过定时器 T1 的周期中断、定时器 T3 的下溢中断和定 时器 3 的周期中断实现的。通过 INT1 中断服务程序的 AD 采样数据，定时器 T1 的周期中断后通过设计算法计算钳位开关管的占空比变量，并更新比较寄存器 CMPR1 值；定时器 T3 周期中断和下溢中断后通过相关算法实时计算桥臂开关管 占空，并更新比较寄存器 CMPR4、CMPR5 值。这样，保证各个开关管的占空比 按照理论设计的时序输出，保证了开关电源输出的稳定。INT2 中断程序流程图如 图 5-10 所示。图 5-10 INT2 中断程序流程图INT4 中断程序提供了市电输入电压的相位信息。确定了输入电压的相位信息， 也就确定了基准电流信号的指针信息。当确定输入电压过零点时，复位基准电流 信号的指