基于TMS320F28XX、UCD8K與HCPL設(shè)計(jì)數(shù)字控制兩級(jí)DC/AC逆變電源

1 、引言

隨著DSP技術(shù)發(fā)展，數(shù)字控制在逆變電源控制中的應(yīng)用也日益廣泛，同時(shí)PWM專用數(shù)字控制器件種類繁多。本文對(duì)適用于開關(guān)電源控制的多個(gè)控制器件的性能進(jìn)行比較，著重詳細(xì)介紹TI的TMS320F28XX。

逆變電源一般采用兩級(jí)變換架構(gòu)，即先采用隔離的DC/DC變換電路增大輸入直流電壓，再采用非隔離的DC/AC逆變電路輸出正弦電壓。為了達(dá)到高效、一體化管理，可利用單個(gè)DSP實(shí)現(xiàn)兩個(gè)變換器的反饋控制。然而，如果同時(shí)對(duì)兩個(gè)變換器進(jìn)行反饋控制，但不能同時(shí)進(jìn)行控制計(jì)算，必然會(huì)造成相互影響，從而影響最終的控制效果。而TI推出的UCD8K系列器件則提供了一個(gè)較好的解決方案。UCD8K系列器件可自主完成反饋控制，但需要數(shù)字控制器管理，并可直接與3.3 V數(shù)字I/O口連接。

另外，驅(qū)動(dòng)逆變電源中的逆變橋的開關(guān)管時(shí)，必須進(jìn)行隔離。傳統(tǒng)的隔離驅(qū)動(dòng)方法是脈沖變壓器隔離，采用脈沖變壓器電路簡單，但體積大。目前隨著光電耦合器速度的提高，適用于高頻開關(guān)電源隔離驅(qū)動(dòng)的高速光耦已經(jīng)面世，如Avago公司的HCPL-315J光耦。

借助于TMS320F28XX、UCD8K系列和HCPL-315J新型器件，本文給出的逆變電源的兩級(jí)變換可實(shí)現(xiàn)高效的閉環(huán)控制。

2 、硬件設(shè)計(jì)

2.1 總體設(shè)計(jì)

逆變電路的硬件框圖如圖1所示，根據(jù)電源的指標(biāo)要求，DC/DC變換器采用推挽拓?fù)?，整流器為全橋整流，DC/AC變換器采用全橋逆變電路。

DC/DC變換器和DC/AC變換器的“控制一輸出”連續(xù)域傳遞函數(shù)可簡化為：

其中，RE為濾波電容的寄生串聯(lián)電阻（ESR）。由于RE相對(duì)較小，因此其對(duì)極點(diǎn)的影響很小，因此（1）式通常可以近似為：

由（2）式可知“控制一輸出”傳遞函數(shù)是含有復(fù)極點(diǎn)和一個(gè)零點(diǎn)的系統(tǒng)。其中，復(fù)極點(diǎn)是由濾波電容和濾波電感組成的低通濾波器產(chǎn)生的。而零點(diǎn)則是由濾波電容及其ESR引起的。通常零點(diǎn)的頻率高于極點(diǎn)的位置。

根據(jù)功率級(jí)的傳遞函數(shù)，利用Matlab的SISOTOOL工具就可設(shè)計(jì)校正補(bǔ)償函數(shù)。

2.2 DSP控制器的選擇

表1列出了目前適用于PWM數(shù)字控制的主要器件，通過對(duì)性能指標(biāo)的比較可以看出。TI的TMS320F28XX是目前性能較優(yōu)異的PWM控制器件。TMS320F28XX系列DSP是24XX系列的升級(jí)版。其主要改進(jìn)在于：主頻由40 MHz提高到100 MHz以上，運(yùn)算數(shù)據(jù)位由16位提高到32位，A/D轉(zhuǎn)換速度也提高了近一個(gè)數(shù)量級(jí)，大大提高了PWM控制性能。特別是從280X系列已采用Micro Edge Positioning（MEP）技術(shù)實(shí)現(xiàn)高分辨的PWM（HRPWM）功能。TMS320F2808具有4路的HRPWM。而TMS320F28044的所有16路PWM輸出都具有HRPWM功能。常規(guī)的數(shù)字PWM（如TMS320F2812），當(dāng)DSP主頻為100 MHz時(shí)，可實(shí)現(xiàn)200 kHz的PWM輸出，計(jì)數(shù)器有效位僅為9位，分辨率為0.2％，難以滿足高精度要求，而采用MEP技術(shù)的HRPWM卻極大提高輸出脈寬的分辨率，如表2所示。HRPWM可以達(dá)到14.8的有效位數(shù)和0.004％的分辨率，分辨率提高50倍。同時(shí)，TMS320F280X系列精簡了引腳，從TMS320F2812的176個(gè)引腳縮減到TMS320F280X系列的100個(gè)引腳，大大減小了印刷板面積。

2.3 UCD8K的應(yīng)用

UCD8K是TI專為采用微處理器或者DSP數(shù)字管理模擬脈寬調(diào)制器件進(jìn)行數(shù)字管理而設(shè)計(jì)的。UCD8220和UCD8620是適用于雙端推挽輸出的PWM控制器件。UCD8220與UCD8620 唯一區(qū)別是UCD8620具有110 V高壓啟動(dòng)電路，可由48 V的通信電源直接啟動(dòng)。

逆變電源采用兩級(jí)變換架構(gòu)，前一級(jí)為隔離的DC/DC變換器，用于提高輸入直流電壓；后一級(jí)為非隔離的DC/AC逆變電路。由于前一級(jí)對(duì)最后的輸出影響較小，因此采用UCD8220或UCD8620控制，穩(wěn)定電壓輸出的反饋控制是由UCD8220自主實(shí)現(xiàn)的，而DSP僅僅參與部分管理功能，這樣。DSP有足夠的CPU時(shí)間處理后一級(jí)的逆變反饋控制。避免同時(shí)控制兩路反饋電路引起沖突。UCD8220的典型應(yīng)用如圖2所示，而傳統(tǒng)的模擬控制推挽電路采用UC1846，典型電路如圖3所示，通過比較兩者主要區(qū)別為：

（1）時(shí)鐘不同。UC1846采用RC振蕩電路產(chǎn)生時(shí)鐘，時(shí)鐘頻率即為開關(guān)頻率，通過不同的RC值調(diào)整開關(guān)頻率和死區(qū)時(shí)間。UCD8220的時(shí)鐘由數(shù)字控制器給出，該時(shí)鐘的低電平時(shí)間為開關(guān)輸出的死區(qū)時(shí)間。

（2）UCD8220具有3.3 V兼容的I/O接口。如：時(shí)鐘輸入、過流標(biāo)志輸出、最高電流設(shè)定。

（3）UC1846具有5.1 V/30 mA的基準(zhǔn)輸出，用于設(shè)定反饋信號(hào)比較的基準(zhǔn)和分壓后可用于過流信號(hào)設(shè)定。而UCD8220則具有3.3 V/10 mA的基準(zhǔn)輸出，可用于電流型控制的斜坡補(bǔ)償，同時(shí)也可作為數(shù)字控制器件的電源。

（4）UC1846具有專門的關(guān)斷輸出引腳（16引腳），當(dāng)該引腳輸入電平超過350 mV，關(guān)斷PWM。輸出：而UCD8220則無專門的關(guān)斷輸出引腳，只要數(shù)字控制給出的時(shí)鐘信號(hào)始終為低電平，就可關(guān)斷PWM輸出。

（5）UC1846電流反饋是雙端輸入，電壓反饋的誤差放大器正負(fù)輸入和補(bǔ)償端都留有輸入引腳，UCD8220則簡化了輸入，電壓和電流反饋都只采用一只輸入引腳，大大簡化了外圍電路。

2.4 光耦驅(qū)動(dòng)器件的應(yīng)用

傳統(tǒng)開關(guān)電源的隔離驅(qū)動(dòng)方法是采用脈沖變壓器，脈沖變壓器的突出問題是體積大，使控制電路印刷板的設(shè)計(jì)難度增加，同時(shí)脈沖變壓器的漏感難以消除，影響輸出脈沖的邊沿陡度，同時(shí)其繞組的寄生參數(shù)的存在會(huì)導(dǎo)致在脈沖的邊沿產(chǎn)生振蕩，不利于功率管工作。另外，脈沖變壓器共模抑制較低，而采用光電耦合則不存在這些問題。目前隨著光耦速度的提高，使得采用光電耦合用于功率器件的隔離驅(qū)動(dòng)成為可能。著名的Avago技術(shù)公司（原屬安捷倫公司）推出了一系列適用于IGBT和MOS-FET的光耦隔離驅(qū)動(dòng)集成電路。輸出驅(qū)動(dòng)電流最大可達(dá)2 A，如HCPL-3120。而光耦HCPL-316J在實(shí)現(xiàn)隔離驅(qū)動(dòng)的同時(shí)還實(shí)現(xiàn)隔離故障檢測。該光耦通過內(nèi)部集成的第二個(gè)反向傳輸光耦，監(jiān)視開關(guān)管是否過流損壞，其輸出可直接與TTL電平控制器相連。對(duì)于橋式電路采用雙驅(qū)動(dòng)器的器件，如本設(shè)計(jì)采用的HCPL-315J。HCPL-315J的內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖4所示。

HCPL-315J的主要特性：在VCM=1500 V時(shí)共模抑制比為15 kV/μs；工作電壓范圍為15 V～30 V；雙通道的隔離電壓為l 500 Vrms/分鐘：具有UVLO保護(hù)功能；最大輸出驅(qū)動(dòng)電流為0.6 A；外形尺寸為10.36mm×10.31 mm×3.51 mm，光耦驅(qū)動(dòng)器的體積比脈沖變壓器體積小很多，僅僅是傳統(tǒng)隔離變壓器的幾十分之一。但是光耦驅(qū)動(dòng)的代價(jià)是必須提供被驅(qū)動(dòng)電路共地的輔助電源（通常為15 V）。HCPL-315J驅(qū)動(dòng)橋式變換的應(yīng)用電路如圖5所示。

數(shù)字控制器輸出的PWM信號(hào)經(jīng)過集電極開路輸出的7407驅(qū)動(dòng)光耦的發(fā)光二極管，由于輸出橋臂的上下兩個(gè)開關(guān)管是交替導(dǎo)通，因此可以采用圖5所示的自舉電路，只采用一路+15 V輔助電源實(shí)現(xiàn)兩路不共地的光耦供電。

3、實(shí)驗(yàn)研究

設(shè)計(jì)電路的主要指標(biāo)：輸入電壓28 V±4 V直流；逆變輸出電壓為115 V±2％：逆變輸出頻率為400 Hz±1％；輸出波形總畸變率（THD）≤3％（帶線性負(fù)載時(shí)）；單模塊輸出500 VA。電路設(shè)計(jì)參數(shù)為：

（1）DC/DC變換器

開關(guān)管選用100 V/100 A的MOSFET：整流二極管選用500 V/6 A的快恢復(fù)二極管；輸出濾波電路的參數(shù)為L=141μH，C=470μF。

（2）DC/AC變換器

開關(guān)管選用500 V/20 A的MOSFET：輸出濾波電路L=1.2mH，C=1μF。

實(shí)驗(yàn)波形如圖6所示，上方的波形為輸出電壓波形，采用10：1的探頭測量，因此實(shí)際的顯示尺度為100 V/格；下方波形為輸出電流的波形，尺度為2.5A/格。滿載時(shí)THD=1.9％，在輸入電壓在22 V～32 V范圍內(nèi)變化，以負(fù)載在150 VA～500 VA內(nèi)變化進(jìn)行測量，輸出電壓的變化在1.48％以內(nèi)，THD的最大值即為滿載輸出值。因此設(shè)計(jì)完全滿足指標(biāo)要求。

由于DC/AC變換器的反饋檢測和驅(qū)動(dòng)電路的部分輔助電源采用DC/DC變換器的變壓器的繞組輸出實(shí)現(xiàn)，因此，在輸入電壓低于22 V時(shí)，僅控制前級(jí)DC/DC變換器工作，直到輸入電壓達(dá)到22 V時(shí)后級(jí)DC/AC變換器才開始軟啟動(dòng)。這樣可以保證DC/AC變換器可靠工作。實(shí)驗(yàn)表明在滿載時(shí)輸入電壓在22 V～32 V時(shí)，都可以輸出穩(wěn)定的電壓波形。

由于采用數(shù)字控制，輸出電壓的頻率相當(dāng)穩(wěn)定。

4 、結(jié)束語

本文以TMS320F28XX、UCD8K系列和HCPL-315J為核心設(shè)計(jì)了數(shù)字控制兩級(jí)DC/AC逆變電源，詳細(xì)介紹了所選器件的特點(diǎn)以及應(yīng)用。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明該設(shè)計(jì)方案具有良好的性能。