基于DSP的双输入反激变换器研究

瞿亚运， 王勤， 汪枫林， 肖岚(南京航空航天大学 自动化学院，江苏 南京 210016)

基于DSP的双输入反激变换器研究

瞿亚运， 王勤， 汪枫林， 肖岚
(南京航空航天大学 自动化学院，江苏 南京 210016)

为了解决单原边绕组双输入反激变换器主功率管在开关过程中存在电流尖峰的问题，在详细分析了变换器工作原理的基础上，提出了改进方法并进行了仿真验证，仿真结果表明电流尖峰得到了有效抑制。采用TMS320F28335作为控制芯片，设计了具有限流保护功能的双环控制系统。通过一台功率为120 W，工作频率为100 kHz的样机验证了电路设计和控制方案的正确性。

单原边绕组；双输入；反激；电流尖峰；DSP

0 引 言

为了解决新能源在应用过程中存在的供电不连续且不稳定的问题，多种能源联合发电系统应运而生。但传统的多输入联合发电系统中变换器结构复杂、成本较高。在中小功率场合，单原边绕组多输入变换器由于其体积小、成本低的优点，近年来受到广泛关注[1-4]。

文献[5]采用脉冲单元组与隔离型主变换器相结合的系统架构，提出了单原边绕组多输入变换器的概念，简化了变压器以及整个变换器的结构。文献[6]提出了适用于中小功率场合的单原边绕组双输入反激变换器，并对其工作模态进行了详细分析。文献[7]提出了针对双输入直流变换器的系统建模及闭环调节器设计方法。

但是该变换器的主开关管在开关过程中存在电压电流尖峰问题，导致变换器开关损耗大大增加，同时开关管承受的电压应力较大。本文针对上述问题，对该变换器的设计进行了改进，并进行了仿真验证，仿真结果表明了改进的有效性。最终通过一台基于DSP控制器的120 W样机进行了实验验证。

1 基本结构及工作原理

图1 单原边绕组双输入反激变换器电路图

单原边绕组双输入反激变换器如图1所示，其中，输入源Vin1、Vin2，开关管Q1、Q2和续流二极管D1、D2分别构成两个BUCK型脉冲电压源，开关管Q3、变压器T、输出整流二极管D3、输出滤波电容Cf和负载电阻RL构成主变换器，即反激变换器。Np、Ns分别为变压器的原副边绕组匝数，Lp、Ls分别为原副边的电感。

开关管Q1，Q2，Q3导通的控制策略为：只要Q1、Q2中有一个开关管开通，则开关管Q3触发导通，当且仅当Q1、Q2全部关断时，Q3才关断。Q1和Q2同时开通时，输入源Vin1、Vin2同时给变压器储存能量；当Q1和Q2分别单独开通时，对应的输入源单独给变压器储存能量。基于上述控制策略，Q1，Q2，Q3有多种不同的开关组合，本文取一般情况进行分析。

根据电路稳态工作原理可知，连续导电模式下，在一个工作周期内，该变换器的工作过程可分为三个阶段。为了简化分析，假设所有元器件均为理想的。

图2 工作阶段Ⅰ

图4 工作阶段Ⅲ

(1)工作模态I：如图2所示，Q1、Q2、Q3均导通，D1、D2、D3均截止。电源Vin1、Vin2串联后加在变压器原边绕组上，即两路输入并联供电，使原边电流ip线性上升，变压器储能，负载电流由输出滤波电容提供。

(3) 工作模态Ⅲ：如图4所示，Q1、Q2、Q3均关断，D3导通。储存在变压器中的能量通过副边释放给负载，使副边电流is线性下降，即为能量传递阶段。

2 电流尖峰原因及抑制措施

反激电路中存在一些分布参数，如变压器的漏感、分布电容，在开关管工作时会形成很大的电压、电流尖峰。相对于由变压器漏感或回路杂散电感引起的开关管关断时的电压尖峰，开关管开通时存在电流尖峰的原因相对复杂，更容易被忽视。实际上，开通时的电流尖峰，不仅产生电磁干扰(EMI)，增加开关管的电流应力，影响效率，而且当用峰值电流控制方式时，可能导致开关管误动作[7-9]。

图5 开关管开通瞬间电流尖峰分析电路

如图5所示，导致开关管Q3开通时电流波形前沿尖峰的主要因素有：

(1) 变压器分布电容Cp与电路杂散分布电感Lo谐振放电，形成流经Q3的电流尖峰。

(2) 当变压器励磁电感Lm两端电压减小，D3承受反偏电压关断，引起反向恢复电流irr，经变压器耦合到原边，形成流经Q3的电流尖峰。

(3) Q3的漏-源极间结电容Cds对Q3放电，也会形成电流尖峰。

胎儿肺内异常病灶，若有比较典型的隔离肺以及肺囊腺瘤特征者，经由彩色多普勒超声检查能够明确诊断。然而无论何种类型声像图以及病灶的病理性质，若未发现水肿以及纵隔移位等声像图表现，并且病灶相对稳定或出现缩小者其预后效果通常较好[6]。

在电路设计过程中，无法避免杂散分布电感Lo，但是可以通过改变变压器的绕制方法来减小分布电容Cp，以及改善D3的反向恢复特性，从而达到减小开关管Q3开通时电流尖峰的目的。

图6 原边电流ip、副边电流is、开关管Q3两端电压改进前后对比波形

如图6所示，由Saber软件仿真结果对比可知，通过重新设计变压器参数，减小其分布电容，并选取反向恢复时间较短的超快恢复二极管作为副边二极管，可以有效抑制开关管Q3开通时的电流前沿尖峰。

3 数字控制设计

图7 双输入反激变换器的DSP控制系统框图

数字控制方式具有控制灵活、精度高、功耗小等优点。图7为双输入反激变换器的DSP控制系统框图。输出电压通过电阻分压采样，原边电流通过霍尔传感器CSM010A进行采样，经过调理电路后接入DSP进行A/D转换，经A/D转化为数字信号后进行PID调节，结果通过EPWM单元处理，产生的驱动信号经过放大电路触发主电路功率开关，实现占空比调节，从而向负载端提供稳定的电压值。

本设计采用双闭环控制方式，内环是电流环，外环是电压环。两个控制环都是经检测、采样保持、PID调节环节实现闭环的。软件所要实现的功能包括：采集电压和电流信号，进行A/D转换；数字PID调节器的计算，调节PWM脉冲的占空比；产生3个开关管的PWM驱动信号，开关频率为100 kHz。

主程序和中断服务流程图如图8所示。

主函数的任务是系统的初始化，开关机检测，然后等待中断到来进行A/D采样。初始化需要进行函数、变量声明；I/O口及EPWM输出口的设置；中断向量设置；各外设模块初始化；定时器单元和A/D模块中关键寄存器的设置等等。A/D 中断服务程序主要是读取及保存采样结果，并调用PID算法计算出误差控制量。

图8 主程序和中断服务程序流程图

本文中采用增量式PID算法进行双闭环控制[10-12]。模拟PID控制规律表达式为：

(1)

式中，Kp为比例系数，Ki为积分系数，Kd为微分系数，e(t)是调节器的输入函数，u(t)为调节器的输出函数。

为了实现对系统的数字PID控制，将上式离散化后为：

(2)

由此可得到增量式数字PID控制表达式：

(3)

4 实验验证

为验证数字化控制方法的可行性，按上述工作原理分析，研制了一台120 W原理样机进行实验。功率开关管选用MOS管，型号为IRFP460，其开关频率为100 kHz。输入源Vin1为120 V直流源，Vin2为220 V/50 Hz的单相交流源，整流桥选用KBPC610，其耐压耐流值为1 000 V/6 A。D1、D2、D3均选用超快恢复二极管，其中D3选用二极管RHRG1560，其反向恢复时间trr为35 ns。变压器采用三明治绕法，原副边匝比为2∶1。DSP选用TMS320F28335芯片，输出电压用分压电阻进行采样；原边电流采样选用霍尔传感器。

图9 实验主要波形

实验主要波形如图9所示，其中(a)与(b)为Q1、Q2、Q3的驱动波形，(c)为开关管Q3两端电压波形，(d)为变压器原边电流波形，(e)为输出电压波形。

从实验波形可以看出，输出电压稳定，电路能正常工作。开关管Q1、Q2、Q3的占空比分别为0.5，0.25，0.5，符合Q1或Q2导通，Q3才导通的原则。Q3关断时承受的漏源极电压为125 V，原边电流ip峰值为2.4 A，Q3开通时的电流前沿尖峰得到有效抑制。

5 结束语

在对单原边绕组双输入反激变换器原理分析的基础上，对开关管Q3开通时电流前沿尖峰产生原因进行分析，并提出了改进措施，仿真结果表明电流尖峰得到了有效抑制。最后通过基于DSP的双输入反激变换器实验平台进行验证。实验结果验证了改进方案的正确性与可行性。

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[ 6 ] 王勤, 张杰, 阮新波, 等. 一种新型双输入反激DC/DC 变换器[J]. 电工技术学报, 2011, 26(2): 115-122.

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A Research on the Double-input Flyback Converter Based on DSP

QU Ya-yun, WANG Qin, WANG Feng-lin, XIAO Lan
(College of Automation, Nanjing University of Aeronautics and Astronautics, Nanjing Jiangsu 210016, China)

Based on a detailed analysis of the working principle of the converter, this paper presents an improvement method and makes a simulation verification in order to solve the problem of current spike occurring in the switching process of the main power tube of the single-primary-winding double-input flyback converter. The simulation result shows that the current spike is suppressed effectively. By adopting TMS320F28335 as control chip, this paper designs a double-loop control system with current-limiting protection. Through a 120 W prototype with 100 kHz working frequency, it is verified that the circuit design and control scheme are correct.

single-primary-winding; double-input; flyback; current spike; DSP

10.3969/j.issn.1000-3886.2015.05.002

TM461

A

1000-3886(2015)05-0004-03

瞿亚运(1990-)，女，江苏江阴人，硕士生，研究方向：多能源联合供电及软开关直-直变换器。 王勤(1967-)，男，江苏江阴人，教授，博士生导师，研究方向：新能源供电及功率电子变换技术。

定稿日期: 2014-12-03