基于三相交错DC—DCBUCK电路的研究

作者：汪娟　吴卫锋

来源：《中国科技博览》2015年第25期

        [摘 要]本文对BUCK电路的工作原理进行了分析，利用BUCK电路的平均开关网络模型对BUCK电路建模，并进行DSP 的程序设计，最后把设计好的程序下载到DSP中，控制三相交错DC-DC BUCK电路。实验结果表明：系统有较快速的响应时间和较强的抗干扰性能

        [关键词]BUCK电路 DSP RTW

        中图分类号：F14.5 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2015）25-0312-02

        [Abstract]This paper analyzes the working principle of BUCK circuit progresses， uses the average switching network model to establish the transfer function of BUCK circuit， uses Matlab toolbox sisotool to analyze it and design the controller， and using Matlab toolbox Embedded Coder to design DSP program. Finally， the design of a good program is downloaded to the DSP， control three-phase interleaved DC-DC BUCK circuit.The experimental results showed that： the system has a faster response time and strong resistance of disturbance

        [Key words]BUCK circuit， DSP， RTW

        1.引言

        数字信号处理器（Digital Signal Processor，DSP）是一种能快速并且实时地实现数字信号处理算法处理器，随着科学技术的飞速发展，DSP得到了越来越多的应用。

        BUCK电路是一种降压斩波器，降压变换器输出电压平均值Uo总是小于输出电压UD通常电感中的电流是否连续，取决于开关频率、滤波电感L和电容C的数值。

        三相交错DC-DC BUCK电路可有效地改善系统的工作效率和输出电能质量，减小流经各相电感的电流峰峰值及平均电流值，从而减小了开关管的电流应力。

        简单的BUCK电路输出的电压不稳定，会受到负载和外部的干扰，当加入PI控制器，实现闭环控制。可通过采样环节得到PWM调制波，再与基准电压进行比较通过PID控制器得到反馈信号，与三角波进行比较，得到调制后的开关波形，将其作为开关信号，从而实现BUCK电路闭环PI控制系统。

        2.BUCK电路基本原理

        DC-DC变换器是把直流电转变成为另一个固定电压或者可调电压的直流电的装置，包括直接电流变流电路及间接直流变流电路。DC/DC变换器的种类较多，包括六种基本拓扑电路：降压斩波电路、升压斩波电路、Cuk斩波电路、Sepic斩波电路和Zeata斩波电路。

        Buck变换器是一种输出电压小于或等于输入电压的DC-DC变换器。该电路由一个全控型器件开关管IGBT，一个二极管D，一个输出滤波电感L，输出滤波电容C和一个负载电阻R构成。其中二极管为在开关管关断时给电感电流提供通道，起到了续流的作用。Buck变换器直流电源系统在各种场合中的应用越来越普遍，也可拖动直流电机或带蓄电池负载等。根据电感电流是否连续，Buck变换器有3种工作模式——连续导电模式、断续导电模式和临界状态模式。连续导电模式是指输出滤波电感L的电流总大于零，断续导电模式是指在开关管关断期间，有一段时间电感上的电流为零。在这两种工作模式之间有一个临界状态，电感电流临界连续状态，即在开关管的关断状态结束时，滤波电感上的电流刚好为零（图1）。

        3.三相交错BUCK电路拓扑

        DSP输出3路错位120？频率为10kHz的PWM信号，控制三相交错DC-DC BUCK电路，其电路图如图4.4所示。三相交错DC-DC BUCK电路可有效地改善系统的工作效率和输出电能质量，减小流经各相电感的电流峰峰值及平均电流值，从而减小了开关管的电流应力。AD采样输出电压后，与48V的给定电压做差，得到误差值，输入PI模块进行PI运算，输出新的PWM占空比。

        4.DSP三相交错PWM输出的实现

        TMS320F28335 DSP中含有16个ePWM模块，每个ePWM模块主要包含以下7个部分：时间基准子模块；计数比较子模块；动作限定子模块；死区控制子模块；PWM斩波器子模块；错误区域控制子模块和事件触发子模块。本系统程序中需要三相交错120o的PWM波形，使用到了ePWM1、ePWM2和ePWM3三个模块，相应的三个PWM输出引脚为GPIO0、GPIO2、GPIO4。

        TMS320F28335 DSP的A/D转换模块是个12位带流水线的模数转换器，A/D转换器包括前端模拟多路复用开关（MUXs）、采样/保持（S/H）电路、变换核心、电压调节器以及其他模拟支持电路部分。A/D转换器共有16个采样通道，分为A、B两组，A组为ADCINA0～ADCINA7；B组为ADCINB0～ADCINB7；

        本系统只需要对输出电压进行采样，故只需一个采样通道，我们用到了A组的ADCINA0通道。

        GPIO多路开关寄存器用于通用的GPIO复用引脚的选择，通过寄存器可以把这些引脚设置成数字I/O或外设I/O模式。TMS320F28335 DSP有三个32位I/O端口，端口A由GPIO0～GPIO31组成，端口B由GPIO32～GPIO63组成，端口C由GPIO～GPIO87组成。本系统使用到了两个GPIO端口，分别为GPIO58和GPIO86，其中GPIO58为PWM信号输出使能端口，GPIO86为系统总开关端口。

        由于TMS320F28335 DSP的每个ePWM模块都有自己的时钟基准，且这三路PWM波形只有相位不一样，其他的诸如频率和占空比都一样，因此我们可以利用这一点得到三相交错120o的PWM波形。具体的思路是这样：首先让ePWM1模块工作，在ePWM1模块运行到1/3周期是让ePWM2模块工作，接着在ePWM2模块工作到1/3周期是让ePWM3模块工作，这样就可以得到三相交错120o的PWM波形。具体的实现方法如图3所示。

        由于周期寄存器的值为15000，故1/3周期的时刻是计数器计算计到5000的时候，所以我们可以对ePWM1模块的比较寄存器B即EPwm1Regs.CMPB赋值5000，并在计数器计数到EPwm1Regs.CMPB的值时触发ePWM1模块中断，即EPWM1_INT中断，并在中断服务函数里使能ePWM2模块的时钟，让其开始工作。同样，对ePWM2模块的比较寄存器B即EPwm2Regs.CMPB赋值5000，并在计数器计数到EPwm2Regs.CMPB的值时触发ePWM2模块中断，即EPWM2_INT中断，并在中断服务函数里使能ePWM3模块的时钟，让其开始工作。这样就可以得到三相交错120o的PWM波形。实际得到的三相交错120o的PWM波形如图4所示。

        5.实验结果

        本系统中我们做了系统的阶跃响应实验和负载扰动试验。阶跃响应曲线图如图5.1所示，负载扰动曲线图如图5所示。

        由图5可知，系统的响应时间为32.78ms，输出电压稳定在48V。

        图6为负载扰动时系统的动态响应曲线，图中负载从6Ω升到12Ω再降到6Ω，相应的电流从8A降到4A再升到8A，输出电压稳定在48V，抗干扰性能很强。

        由系统阶跃响应曲线和负载扰动的系统动态响应曲线可知，系统有较快速的响应时间和较强的抗干扰性能，验证了所设计的系统的可行性。

        6.结束语

        本文在基础BUCK电路上进行拓扑，通过配置TI公司最新的浮点数字信号处理器（DSP）TMS320F28335芯片的寄存器来实现三相交错PWM输出，同时控制三相交错BUCK，使得电路输出的纹波和抗干扰性得到较大的提高，能够更好地应用在电路负载情况复杂的设计中。

        参考文献

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        [6] 渠展展，李卫国，闫涛，李俊霖. 三相交错式双向DC/DC储能变流器的研究.电力电子技术.2012年.第2期：77.

        作者简介

        汪娟，女，汉族，1991年6月4日出生。现就读于安徽省池州市贵池区池州学院机械与电子工程系，11级光电子技术科学专业，指导老师：吴卫锋。