XMC4500控制的移相全桥ZVS DC/DC变换器

移相全桥变换器移相PWM信号的产生方式主要有模拟电路控制和数字电路控制两种。首先分析了数字控制与模拟控制对系统整体性能的影响;然后简要介绍了移相全桥DC/DC变换器PWM信号的特点，最后详细介绍了数字控制的具体实现过程。

引言

ZVS(Zero Voltage Switching，移相全桥) DC/DC转换器是一款适用于中大功率场合的直流转换器，它可充分利用功率器件的寄生参数和谐振电感实现功率开关的零电压导通，降低开关管的导通损耗，减小了系统的体积和重量[1]，提高了开关管的开关频率和系统的转换效率。

实现全桥变换器的移相PWM控制的方法很多，传统的控制方法可利用集成控制芯片搭建模拟控制电路来实现反馈调节，产生具有一定相位差的PWM控制波形。随着数字信号处理技术的快速发展，各种微控制器的性价比不断提高，数字控制已经成为了大中功率开关电源的发展趋势。与模拟控制相比，数字控制可以完成复杂的控制算法，且不存在温漂，避免了模拟信号的畸变失真，减小杂散信号的干扰，并且可以实现通信和网络控制的功能，使控制系统具有更好的稳定性和更强的灵活性[2]。数字控制的这些优点大大提高了变换器的整体性能，使得变换器成为具有高精度、高可靠性、高效率和高功率密度的设备。

本文针对工程中广泛应用的带同步整流功能的移相全桥ZVS DC/DC 变换器，利用英飞凌新推出的XMC4500系列控制芯片，将数字控制成功引入到高频DC/DC 变换器应用场合，不仅实现了模拟控制的全部功能，而且具备了数字系统所特有的高性能、控制灵活等优点。

1 移相全桥ZVS DC/DC 变换器主电路拓扑结构

移相全桥ZVS DC/DC转换器的电路拓扑结构如图1所示。
  


图1 移相全桥ZVS DC/DC拓扑结构

在变压器的原边电路中，采用的是全桥逆变电路。Q1~Q4为IGBT或MOSFET功率开关器件，D1~D4分别为Q1~Q4的寄生二极管，C1~C4为Q1~Q4的寄生电容或外接电容。Lr为谐振电感，它包括变压器漏感和外接电感。

在变压器的副边，采用的是全桥整流电路。因为该转换器的输出电流很大，若使用整流二极管，会产生很大的功耗。由于功率MOSFET的通态电阻很小，可以达到几mΩ，因此可使用低压大电流的MOSFET替代传统DC-DC转换器中的续流二极管或整流二极管，降低功耗，提高电源的转换效率。功率MOSFET属于电压控制型器件，用功率MOSFET做整流器时，要求栅极电压必须与被整流电压的相位保持同步才能完成整流功能，故称之为同步整流[3]。图1中SR1~SR4即表示MOSFET管。

移相全桥ZVS DC/DC转换器本质上是一种PWM控制方式，但与传统的PWM控制又有很大的区别：每一桥臂上的两个功率开关相差180°互补导通;其中一个桥臂上两个功率开关的导通角分别以一定的相位滞后于另一桥臂上所对应的功率开关。也就是说，逆变桥四个开关管本身的占空比没有改变，而是通过调整相应开关管的相位差，来实现变压器原边电压占空比的改变，即所谓的移相控制方式。

在一个开关周期中，移相全桥ZVS DC/DC转换器有12种开关状态[4]，采用移相全桥ZVS控制方式，可充分利用功率开关器件的寄生电容或外接电容来实现开关管的零电压导通，电路结构简单、可靠性高。

其主电路主要波形如图2所示。
  


图2 移相全桥ZVS DC/DC主电路主要波形

图2中UAB表示变压器原边电压，ip表示变压器原边电流，U2表示变压器次级电压。

由各开关器件的控制信号波形可以看出，每个桥臂的两个开关互为180°互补导通，左桥臂的两个开关(Q1和Q2)的导通相位分别比右桥臂的功率开关(Q4和Q3)提前了一个相位，所以左桥臂为超前臂，右桥臂为滞后臂。

2 变换器移相控制系统设计

2.1 移相控制系统的硬件控制

控制系统采用英飞凌公司的32位微控制器XMC4500作为主控芯片。图3为该变换器控制系统的结构框图，采用双闭环控制策略，对输出电压Vo进行闭环控制。电压外环和电流内环均采用PI调节运算，最终电流内环的调节结果作为有效的占空比信号，通过CCU8单元产生PWM移相控制信号。隔离驱动电路产生驱动信号来控制逆变电路开关管的导通与关断，使变换器输出电压,达到所需要求。控制系统的主要功能模块包括:

① CCU8单元：PWM 移相控制脉冲的产生;
② ADC单元：模拟信号的数字转换;
③ I/O口：状态判断与复位控制等;
④ CAN通信单元：与整车进行通信。
  


图3 移相全桥转换器控制流程图

数字DC/DC 变换器系统采用经典的双闭环控制算法，包括电压外环和电流内环，如图4所示。
  


图4 双闭环控制原理框图

双闭环控制的原理是[4]：外环电压与参考电压比较后，经过PI运算，将运算结果作为电流内环的参考值，采样获得的电流与该参考值比较后，经过PI调节运算后，将运算结果与三角波比较，产生驱动信号驱动逆变桥。

2.2 移相控制系统的软件控制

数字控制器程序流程包括4 部分: 主程序、电压环和电流环PI计算CCU8周期重载中断和外部故障处理。主程序完成ADC、CCU8等模块的初始化工作，然后进入一个循环，等待中断发生。

系统中断响应包括A/D转换采样中断(进行电压环PI 计算、电流环PI计算)、CCU8单元重载中断，以及CAN通信中断3个中断源， 并规定它们的优先级从高到低依次为CCU8周期重载中断、A/D采样中断、CAN通信中断。

外部故障处理主要包括过压检测、过流检测以及过温保护，当ADC采样到的这些值超过限定值时产生中断，并使I/O端口置低或置高响应的电平，从而使系统停止工作，起到故障保护的作用。

3 XMC4500全桥移相控制的实现

数字化控制可以实现模拟控制难以做到的复杂控制算法，使系统的硬件兼容性更好。借助英飞凌XMC4500系列MCU的高速运算性能和丰富集成外设资源，就能成功地将数字信号控制引入到高频DC/DC变换器中，完成同步整流移相全桥DC/DC变换器的数字控制应用，并取得良好的控制效果。

3.1 CCU8单元移相PWM的产生

ZVS全桥变换器移相控制需要4 路独立的驱动信号，并满足以下条件[5]:

① 同一桥臂上下两管的驱动波形呈180°互补;
② 4 路驱动信号的占空比D大小固定，在忽略死区时间影响条件下取D=0.5;
③ 对角超前桥臂功率管的驱动信号领先滞后桥臂功率管一个移相角0°，其范围为0°~180°，并根据系统闭环调节结果进行动态调整。

XMC4500的CCU8定时器单元内部具有4个独立的PWM发生器( PWM1~PWM4)，每个PWM发生器可产生两路互补的PWM波形。CCU8模块的PWM发生器具有独特的非对称PWM 输出模式，每个PWM发生器具有两个可编程比较寄存器，即当PWM 工作在互补中心对齐模式时，PWM占空比可在半周期独立设置。PWM 的计数方向决定PWM 模寄存器的选择，如在增量计数时选择奇数模寄存器有效，在减量计数时选择偶数模寄存器有效，由此即可完成非对称PWM 输出的独特功能。

每一个CCU88 定时器单元提供两个独立的8 位死区时间计数器，可以在两个比较通道中上升和下降沿产生独立的死区时间值，可以在功率级应用上用于短路保护，死区时间可以通过相应的寄存器由软件设置。

相关映射寄存器会根据下列事件进行映射传送比较寄存器重载，改变PWM发生器的比较值：

① 增量计数时，周期匹配后的下一个时钟周期内;
② 减量计数时，匹配后的下一个时钟周期内;
③ 定时器停止或传送请求被触发时立刻发生。

这意味着当周期匹配事件时，在映射传送事件发生之前最后一个时钟周期内的短暂时间内使用周期匹配中断服务，仍来得及设置转移使能请求，通常使用比较事件中断实现。然而，即使当一个比较寄存器的值等于周期寄存器值时，仍能准确地设置传送使能请求。换句话说：整个定时器周期可以用于设置传送使能位。

在本文所论述的电源系统中，PWM1产生两路互补通道，驱动超前桥臂; PWM2产生两路互补通道，驱动滞后桥臂，条件①即得到满足。要实现条件②、③的功能，PWM发生器需要配置为中心对齐的非对称PWM输出模式。采用这种输出模式，计数寄存器中的计数值增量计数到达奇数模寄存器设定值Value1时，PWM输出信号由低变高;当计数寄存器计数到计数周期寄存器值后变为减量计数、减到偶数模寄存器设定值Value2后，输出再次翻转，由高变低。根据PWM 产生方法可知，当比较寄存器值确定后，即确定了对应的PWM正脉宽大小以及两对PWM之间移相角的大小，即：

正脉宽=2Th-PWMx_Value2-PWMx_Value1
移相角=PWM2_Value1-PWM1_Value1

其中，Th为PWM波半周期对应的计数值;x取值为1或2。

要保持输出占空比大小不变，需要使同一PWM发生器的Value2 跟随Value1变化，即保持2Th-PWMx_Value2-PWMx_Value1为常数。同时，改变不同PWM发生器之间Value1的值，即可改变两对PWM波之间的相位差。

根据XMC4500的CCU8定时器单元的工作机理，便可以将双闭环控制采用PI调节运算的结果PI_result经过归一化处理后，作为CCU8单元比较寄存器比较值的改变量，从而使滞后臂的PWM信号产生相应的移相角。CCU8单元具体的移相PWM控制方式如图5所示。
  


图5 CCU8定时器单元移相PWM波形示例

3.2 A/D转换单元

XMC4500提供了一系列连接到一个A/D转换器集群的模拟输入通道，这些A/D转换器采用逐次逼近寄存器(SAR)原理将模拟值(电压)转换为离散数字值。

A/D转换器集群里的每个转换器都可以独立于其他转换器单独工作，每个转换器都有一组专用的寄存器控制，并由一组专用的请求源触发。这些基本结构支持面向应用的编程和操作，并提供对所有资源的访问，所有转换器组几乎完全相同，支持灵活的通道分配功能。

在XMC4500 中， ADC具有多种启动方式， 既可以用软件直接激活相应的转换请求源，又可利用外部事件同步激活请求源，例如用定时器产生的PWM信号或者来自端口引脚的信号作为触发脉冲。

通过软件设定可将ADC 采样时刻与PWM中心时刻调整成精确同步，即在每次CCU8单元匹配中断中采用软件同步启动ADC。对于不同的占空比输出情况，此时功率器件的开关状态均已完成， ADC 采样也就能有效避免功率开关干扰，从而真实反映模拟采样结果。

对于一般的微控制芯片内部ADC功能模块，中断响应比较单一，只能在全部采样结束后产生一个中断响应。在XMC4500的ADC 模块里，除了采样结束中断外，每路A/D 转换通道均提供了多种硬件中断响应，即每路A/D转换通道根据实时采样结果自动产生上限溢出中断、过零中断和下限溢出中断。这一特性对于电力电子应用也很有帮助，例如对于电感电流的采样，如果将最大允许电感电流或输入电压定义成通道采样的门限值，即可自动完成电感电流的过流保护和输入电压的过压保护。所有这些功能均由单片机内部硬件自动完成，并不需要任何额外的软硬件开销，这对于高频应用尤为重要。

4 实验结果

为了验证采用XMC4500进行数字控制的可行性，试制了一台移相全桥ZVS DC/DC转换器样机，外接XMC4500的最小系统对转换器进行控制。该转换器可实现160~350 V的直流电压输入，14 V电压输出，功率为2.7 kw，工作频率为100 kHz，闭环控制采用经典的PI控制。最终的实验结果表明，XMC4500可以实现移相PWM控制信号输出，且可以使输出电压很好的稳定在14 V，具有良好的稳态特性。