隨著功率變換技術的發展,越來越多的調制方式得到研究,目前主要的三個調制方式:脈寬調制(PWM),頻率調制(PFM),移相調制(PSM)。其中脈寬調制提出比較早,應用也是最為廣泛;頻率調制最典型的應用當屬LLC諧振變換器;移相調制目前主要應用于移相全橋。在我對我的課題進行實驗的時候,發現在閉環條件下,變換器驅動信號存在丟周期現象,也就是我題目中提到的移相同步功能缺陷,導致變壓器勵磁不平衡而發出噪聲。本文所提出的問題在移相全橋中并沒有出現,而是出現在改進型雙有源橋變換器(DAB)中,如下圖給出了常規DAB的拓撲結構。
對于大部分控制器,都可以完成脈寬調制和和頻率調制的工作,而能夠實現移相調制的控制器較少,目前比較典型的當屬德州儀器(TI)的C2000系列DSP,目前我比較了解的是其中TMS320F2833X和TMS320F280X兩個子系列,都存在移相同步丟周期的現象;對于更早的240X和2812系列,我不太確定是否存在這個問題。
如圖為出問題的時候的波形,其中綠色和紅色的波形分別為原副邊兩個全橋橋臂中點的輸出電壓,紫色波形為某一開關管的驅動信號。由圖中發現,在觸發時刻的一個周期,開關管驅動沒有做出預期的動作,而是保持長高,導致原邊全橋的輸出矩形波缺少負電壓,此時電感電流由于向同一側勵磁時間超過設計預期,導致勵磁電感增大甚至飽和,可以聽到變壓器發出嗡嗡的聲音。
根據幾次重復實驗發現,出問題的時候有一個統一的特點,就是原副邊全橋輸出波形,存在一個邊沿剛好對齊,上圖中對齊的邊沿為0電平到正跳變的邊沿,如圖虛線標示。接下來我將對這個現象產生的原因進行著重分析。
首先要了解德州儀器TMS320F2833X/280X的移相機理:
直接貼上手冊里的圖
圖中給出了同步信號傳遞方式,當然這只是其中一個子系列的結構,其他也是類似的。每個ePWM模塊可以輸出兩路驅動波形,分別用于驅動一個橋臂的上下管,占空比均為50%并帶有死區。上一個模塊會接收一個同步信號并將其直接傳遞到下一個模塊(也有其他傳遞方式),模塊收到同步信號后將自己的計數器設定為當前移相同步初始值,如此實現移相。通過不斷修改移相同步初始值即可實現幾路驅動的相位調整。
ePWM模塊輸出反轉的條件為,計數器與設定比較值或周期值匹配,發生匹配時可以設定輸出動作方式,可以設定為置1或置0,以及反轉。
然后總結這個問題出現的場景:
變換器閉環條件下出現,而開環從未出現過。
出現該問題時,變壓器原副邊全橋的輸出電壓某一邊沿剛好對齊。
根據以上分析,本文認為驅動信號丟失主要是由于輸出匹配邏輯引起的,由于輸出改變的條件是計數值與預設值匹配,而移相同步功能直接改變計數器數值,導致計數值剛好跳過了預設的比較匹配值,未能發生匹配,輸出因此沒有改變而維持了原有狀態。
圖中給出了驅動信號丟失時發生的具體動作,比較值CMP設定為周期PRD的一半,計數方式為單增計數。此前由于同步值小于半周期且一直沒發生變化,因此雖然每個周期都會有同步信號,但不會引起計數值的跳變,在圖中的第二個周期,移相同步預設值發生改變,由原來的小于半周期變為大于半周期,在同步信號到來時,將計數值從小于半周期瞬間刷新為與移相同步預設值相等,而越過了半周期的比較匹配值,使本周期驅動信號不發生變化,在外界看來就是驅動信號丟失的現象。
以上即為德州儀器C2000系列出現周期的驅動信號丟失的原因。而我們觀察到的邊沿對齊時出現丟失的問題是由于該時刻剛好是移相同步值與比較匹配值發生跨越的時刻,由于使用閉環控制,在穩態附近不斷調整,出現反復跨越,因而頻繁出現驅動丟失的問題。移相全橋之所以沒出現這個問題,是由于它的移相角不可能達到半周期,也就不會發生移相值與比較值的跨越。
德州儀器如果希望從芯片層面解決這個問題,只需要增加比較邏輯,根據計數器當前值與比較值的大小關系確定輸出。當然,我對芯片的設計并不了解,不知道增加這一個功能大概需要多少邏輯單元及成本。
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