基于TMS320F28335的恒流型饋能式電子負(fù)載的設(shè)計(jì)

摘要：針對(duì)電源設(shè)備出廠老化測(cè)試電能浪費(fèi)問(wèn)題，設(shè)計(jì)了一種基于TMS320F28335DSP的恒流型饋能式電子負(fù)載描述了一種原邊帶箝位二極管的ZVS移相全橋變換器的工作特點(diǎn)，采用了一種簡(jiǎn)便易行的移相波形數(shù)字控制方法；基于DC/DC電壓前饋、DC/AC電壓電流雙環(huán)控制方法，研制出一臺(tái)3.5 kW試驗(yàn)樣機(jī)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：該系統(tǒng)性能穩(wěn)定、調(diào)節(jié)速度快，能很好地滿足測(cè)試?yán)匣梆伨W(wǎng)要求。

隨著電力電子技術(shù)的迅猛發(fā)展，新能源及各種節(jié)能技術(shù)的快速涌入，各類電力電子產(chǎn)品特別是功率變換器層出不窮。顯然，傳統(tǒng)的電阻箱老化方法已無(wú)法滿足測(cè)試自動(dòng)化及節(jié)能要求。電子負(fù)載作為一種測(cè)試電源設(shè)備性能指標(biāo)的新型設(shè)備，因其具有節(jié)能、控制靈活、穩(wěn)定性好等優(yōu)點(diǎn)，近年來(lái)，得到了國(guó)內(nèi)外學(xué)者的廣泛重視與深入研究。

目前，電子負(fù)載產(chǎn)品繁多，拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)也各種各樣。但普遍存在開(kāi)關(guān)損耗大、電能利用率低、無(wú)法滿足隔離或饋網(wǎng)要求的缺陷，且市場(chǎng)上的電子負(fù)載大多適用于恒壓源的老化測(cè)試，無(wú)法應(yīng)用于恒流源設(shè)備。

本文研制了一臺(tái)應(yīng)用于恒流源設(shè)備放電測(cè)試的饋能式電子負(fù)載，該電子負(fù)載能對(duì)恒流源設(shè)備進(jìn)行測(cè)試?yán)匣湍孀凁伨W(wǎng)，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)電能的再生利用。隨著電動(dòng)汽車(chē)的逐漸普及，車(chē)載充電機(jī)的需求量也會(huì)增加，該電子負(fù)載無(wú)疑具有廣闊的應(yīng)用前景。

文中首先闡述了饋能型電子負(fù)載的基本原理，然后分別從硬件結(jié)構(gòu)和控制策略重點(diǎn)分析，最后給出了實(shí)驗(yàn)參數(shù)與結(jié)果，驗(yàn)證了本方案的可靠有效。

1 系統(tǒng)拓?fù)渑c工作原理

1.1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

恒流型饋能式電子負(fù)載主電路如圖1所示，它主要包括DC/DC直流變換器和DC/AC逆變器。DC/DC變換器需要對(duì)車(chē)載充電機(jī)進(jìn)行負(fù)載特性模擬，即模擬蓄電池的充電特性，將輸入恒流源轉(zhuǎn)換為穩(wěn)定的電壓源，并實(shí)現(xiàn)高頻隔離。它要同時(shí)級(jí)聯(lián)充電機(jī)與逆變器，是整個(gè)系統(tǒng)的核心與難點(diǎn)。DC/AC逆變器通過(guò)對(duì)電網(wǎng)進(jìn)行同步檢測(cè)，將被測(cè)試電源輸出的能量無(wú)污染的回饋給電網(wǎng)。

圖1 電子負(fù)載主電路

1.2 DC/DC變換器

1.2.1 DC/DC變換器的選擇

車(chē)載充電機(jī)是一種安裝在電動(dòng)汽車(chē)內(nèi)部，可在車(chē)庫(kù)、停車(chē)場(chǎng)、路邊等任何有電源供應(yīng)的地方充電的中小型功率充電裝置。全橋變換器普遍應(yīng)用于中大功率場(chǎng)合，采用移相控制，全橋變換器可實(shí)現(xiàn)零電壓開(kāi)關(guān)、零電壓零電流開(kāi)關(guān)和零電流開(kāi)關(guān)3種軟開(kāi)關(guān)方式，但其輸出整流二極管不是工作在軟開(kāi)關(guān)狀態(tài)。輸出整流二極管在換流時(shí)變壓器副邊存在寄生振蕩，使二極管產(chǎn)生很高的尖峰電壓。采用原邊帶箝位二極管的ZVS全橋變換器，能夠有效抑制寄生振蕩，減少電路損耗，消除尖峰電壓。恒流輸入原邊帶箝位二極管的ZVS全橋變換電路主要工作波形過(guò)程如圖2所示。

圖2 DC/DC主要工作波形

1.2.2 移相PWM的數(shù)字控制

TMS320F28335是TI公司最新推出的一款TMS320C28X系列浮點(diǎn)DSP控制器。與以往的定點(diǎn)DSP芯片相比，該DSP具有成本低，功耗小，性能高，外設(shè)集成度更高，數(shù)據(jù)以及程序存儲(chǔ)量更大，AD轉(zhuǎn)換更加精確和快速等特點(diǎn)。與常見(jiàn)的TMS320F2812DSP相比，TMS320F28335可通過(guò)配置DBRED和DBFED寄存器的設(shè)置，同時(shí)實(shí)現(xiàn)對(duì)上升沿和下降沿的延時(shí)控制。另外通過(guò)對(duì)TBPHS的寄存器的配置，可實(shí)現(xiàn)兩路PWM的移相控制，因此，TMS320F28335產(chǎn)生移相PWM信號(hào)更加簡(jiǎn)便、可靠。

EPWM時(shí)序波形示意圖如圖3所示，Q1和Q3為超前橋臂，分別由EPWM1A和EPWM1B控制；Q2和Q4為滯后橋臂，分別由EPW-M2A和EPWM2B控制。移相EPWM的具體產(chǎn)生過(guò)程如下：

圖3 移相PWM時(shí)序示意圖

1）占空比及死區(qū)設(shè)置：配置時(shí)間基準(zhǔn)模塊（TB）與計(jì)數(shù)器比較模塊（CC），使用增計(jì)數(shù)方式，EPWM1與EPWM2設(shè)定相同的周期值，比較寄存器CMPA值均設(shè)置為周期寄存器值的一半。通過(guò)死區(qū)控制模塊（DB），設(shè)置PWM的A、B通道為互補(bǔ)模式，并配置相等的上升沿時(shí)間與下降沿時(shí)間，即

UBFED=DBRED.

2）移相角設(shè)置：配置TB模塊，設(shè)置EPWM1、EPWM2為主從模式：EPWM1的同步輸入來(lái)自外部引腳，EPWM2使用EPWM1的同步脈沖輸入信號(hào)。初始化EPWM2的相位寄存器TBPHS值，當(dāng)檢測(cè)到輸入同步脈沖時(shí)，相位寄存器值載入計(jì)數(shù)寄存器TBCNT.圖中為移相角對(duì)應(yīng)的計(jì)數(shù)值，TBPHS加載

值即為周期值TPR與φ2的差值。

3）占空比調(diào)節(jié)方式：通過(guò)使能EPWM2的中斷標(biāo)志位，一旦產(chǎn)生PWM,進(jìn)入中斷服務(wù)程序，通過(guò)調(diào)節(jié)EPWM2中TBPHS值，改變移相角φ2,從而控制有效占空比的大小，達(dá)到閉環(huán)控制的目的。

1.3 DC/AC逆變器設(shè)計(jì)

逆變器是將直流電能轉(zhuǎn)化為交流電能的變換裝置，供交流負(fù)載用電或與交流電網(wǎng)并網(wǎng)發(fā)電。如圖1所示，本文選用H橋與LCL濾波電路組成的逆變電路。為能逆變回網(wǎng)，必須選用合適的PWM控制，實(shí)現(xiàn)網(wǎng)壓與網(wǎng)流的反相，并保持功率因素為-1,從而，實(shí)現(xiàn)能量的饋網(wǎng)和再生利用。

2 控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

控制系統(tǒng)由驅(qū)動(dòng)電路、檢測(cè)電路、保護(hù)電路及LCD顯示電路構(gòu)成?？刂坪诵男酒捎玫氖荰MS320F28335 DSP,它是TI公司最新推出的一款TMS320C28X系列浮點(diǎn)DSP控制器。與以往的定點(diǎn)DSP芯片相比，該DSP具有成本低，功耗小，性能高，外設(shè)集成度更高，數(shù)據(jù)以及程序存儲(chǔ)量更大，AD轉(zhuǎn)換更加精確和快速等特點(diǎn)。系統(tǒng)控制結(jié)構(gòu)如圖4所示，圖中有兩個(gè)閉環(huán)控制回路，DC/DC控制環(huán)和DC/AC控制環(huán)。

圖4 系統(tǒng)控制結(jié)構(gòu)圖

2.1 DC/DC控制環(huán)

本實(shí)驗(yàn)的車(chē)載充電機(jī)采用恒流限壓充電方式對(duì)電動(dòng)汽車(chē)的車(chē)載動(dòng)力電池進(jìn)行充電。充電機(jī)給動(dòng)力電池充電時(shí)，對(duì)電池輸入恒定的充電電流，電池電壓將逐漸升高。當(dāng)電池電壓升高到某一電壓值時(shí)，則電池已經(jīng)充滿，充電過(guò)程結(jié)束。

DC/DC變換器需完成兩部分工作：一是模擬動(dòng)力電池充電過(guò)程：二是維持輸出電壓穩(wěn)定，以Icc實(shí)現(xiàn)逆變。本實(shí)驗(yàn)輸入電壓范匍為250~450 V,電壓改變量為25 V.由于充電機(jī)以恒流放電，首先，根據(jù)動(dòng)力電池充電特性，實(shí)時(shí)設(shè)定輸入側(cè)支撐電容Ci端電壓值大小。然后，通過(guò)線性光偶電壓采樣電路，檢測(cè)實(shí)際輸入電壓反饋值Ui,與設(shè)定值的偏差，送給PI環(huán)。最后，經(jīng)PWM調(diào)節(jié)器，當(dāng)Ui>時(shí)，增大占空比；當(dāng)Ui<時(shí)，減小占空比。實(shí)現(xiàn)對(duì)占空比的調(diào)整，從而調(diào)節(jié)支撐電容的充放電時(shí)間，維持輸入電壓恒定。

在整個(gè)過(guò)程中，系統(tǒng)實(shí)時(shí)監(jiān)控充電機(jī)輸出電流Icc與全橋電路中電流Idc.若Icc恒定，則充電機(jī)測(cè)試合格。當(dāng)Idc超過(guò)電流允許值時(shí)，PWM調(diào)節(jié)器會(huì)對(duì)pwm信號(hào)進(jìn)行控制，維持系統(tǒng)的可靠運(yùn)行。

與其他DC/DC控制方法不同的是，本實(shí)驗(yàn)通過(guò)電壓前饋的方法，來(lái)實(shí)現(xiàn)輸出電壓的穩(wěn)定，實(shí)驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證了此方法的可行性。

2.2 DC/AC控制環(huán)

逆變環(huán)節(jié)采用雙環(huán)控制，外環(huán)為逆變器直流側(cè)電壓控制環(huán)，內(nèi)環(huán)為交流電流控制環(huán)。直流輸出電壓給定信和實(shí)際電壓值U0偏差值，交給PID調(diào)節(jié)器后輸出直流電流指令信號(hào)ImoIm和逆變器交流側(cè)輸入電網(wǎng)的電流幅值ia成正比，它與標(biāo)準(zhǔn)正弦波相乘后形成交流輸入電流的給定信號(hào)。與實(shí)際交流值ia的偏差值經(jīng)P比例放大后，再經(jīng)滯環(huán)控制得到spwm控制信號(hào)鎖相環(huán)PLL保證交流輸入電流的給定信號(hào)與電網(wǎng)電壓同步同相。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及結(jié)論

3.1 實(shí)驗(yàn)參數(shù)

本實(shí)驗(yàn)以電動(dòng)汽車(chē)車(chē)載充電機(jī)作為測(cè)試?yán)匣娫矗漭敵鲭娏骱愣? A,直流電壓變化范隔為250~450 V.恒流式直流電子負(fù)載的主要參數(shù)如下：前級(jí)選用MOSFET SPW35N-60CFD雙管并聯(lián)，開(kāi)關(guān)頻率為50 kHz:高頻變壓器參數(shù)：鐵氧體磁環(huán)，匝比1:1.5;整流二極管選用RHRG75120快恢復(fù)二極管；諧振電感Lr=12μH;隔直電容Cb=3μF;輸出濾波電感Lr=156μH;輸出濾波電容Cf=2 000μF.后級(jí)選用高頻開(kāi)關(guān)管選用MOSFET SPW35N60CFD,頻率50 kHz,低頻50 Hz,選用IGBT G80D60;LCL濾波電路參數(shù)：L2=L3=680μH,Cf2=4μF.實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，最大功率可達(dá)3.5 kW,工作效率約為88%,工作性能良好，且能實(shí)現(xiàn)全正弦回網(wǎng)。

3.2 基本波形

如圖5所示，當(dāng)輸入電壓設(shè)定為250V,開(kāi)關(guān)頻率為50kHz時(shí)的實(shí)驗(yàn)波形。圖5（a）為功率管Q3驅(qū)動(dòng)信號(hào)及漏板電壓波形，由圖可知Q3實(shí)現(xiàn)了零電壓開(kāi)通與關(guān)斷。圖5（b）為變壓器原邊電壓及電流波形圖，對(duì)比理論波形圖圖2可知，電壓電流波形較理想。圖（c）為逆變器并網(wǎng)輸出側(cè)電壓電流波形圖。

圖5 實(shí)驗(yàn)波形

4 結(jié)束語(yǔ)

文中基于TMS320F28335高精度數(shù)字控制，采用一種原邊帶箝位二極管ZVS移相全橋變換電路，級(jí)聯(lián)H橋逆變器的一種新型恒流型饋能式電子負(fù)載，經(jīng)車(chē)載充電機(jī)放電測(cè)試，驗(yàn)證了數(shù)字控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的可行性，能可靠地實(shí)現(xiàn)軟開(kāi)關(guān)，很好的實(shí)現(xiàn)并網(wǎng)目標(biāo)。

[1].RHRG75120datasheethttp://www.dzsc.com/datasheet/RHRG75120_578752.html.