双向DC-DC变换器在燃料电池能量管理中的应用
4.3 辅助电路设计 4.3.1 保护电路设计
为了保证系统的正常工作，需要设计保护电路。
充电模式时，变换器负载是蓄电池，采用恒平均电流充电，为防止过充电，充电电压须有一个限定值，因此该模式下保护电路应具有以下功能：输出过流保护；输出过压保护；输入过压保护。放电模式时，变换器负载是耗散型阻性负载，电源是蓄电池，为防止蓄电池过放电，保护电路应具有以下功能：输入欠压保护；输出过压保护；输出过流保护。当保护电路动作时，能够封锁驱动信号，保证电路的正常工作。 4.3.2 驱动电路设计
本文所研究的双向全桥DC/DC变换器的开关管MOSFET的驱动电路选用英飞凌XE162单片机。
4.3.3 采样电路设计
本文所研究的变换器需要实现能量的双向流动，因此对于充放电工作模式时的电压、电流都需要进行采样。采样对象有：高压侧电压V1、电流I1，低压电池侧电压V2、电流I2。由于能量可以双向流动，电压V1、V2极性不变，电流I1、I2方向可正可负。
通过电压霍尔、电流霍尔检测得到需要的变量，同时又可以实现采样输出电路和主电路之间的隔离。但是，两种模式下检测到的电流方向相反，电流霍尔检测值有正有负，因此需要设计合理的电流检测电路和软件处理方式以针对不同工作模式下的变量进行正确处理。本文所设计的电压、电流检测电路分别如图4.5(a)、(b)所示。检测电路输出端接稳压二极管D1、D2，是为了防止检测值过高，损坏DSP芯片。
电压检测时，通过调节电位器R5、R6，或修改程序中参考电压Vref，可以很方便的实现对电压V1、V2的调节。
电流检测时，由于电流极性可正可负，通过叠加-12V的电压，在经过一级反相放大电路，即可得到恒定为正的电流检测值。但是AD口处得到的电压值并不对应实际电流大小，程序中需要进行处理。
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变换器实际需要实现的功能是：①充电时，电池充电电流I2的恒定；②放电时，负载R1上的电压V1恒定；③电池电压V2欠压保护，负载电流I1过流保护等。
第③点可以通过模拟电路实现，或者数字电路实现。若采用数字电路，则电流采样需要用到图4.5(b)的采样电路结构。若采用模拟电路，则第②点电流采样可以和电压采样采用同一电路结构：霍尔检测值经过电压跟随器，再送入DSP芯片。可以减少DSP芯片的运算时间。
4.4 控制电路设计
4.4.1 控制芯片选取
双向全桥DC/DC变换器主电路拓扑有八个功率开关管和一个有源钳位开关管，因此，控制电路应能够产生变换器所需要的9路PWM驱动信号。
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根据变换器对控制器的需求，本实验控制芯片选用英飞凌XE162。 英飞凌XE162的执行速度达20MIPS，几乎所有的指令都可以在50ns的单周期内完成。
作为系统管理器，DSP必须具备强大的片内I/O和其它外设功能。英飞凌XE162片内的事件管理器与其它任何一种DSP都不同。该事件管理器中包括特殊的PWM产生功能，特殊的附加功能包括可编成的死区功能和空间矢量PWM状态机。三个独立的向上/下计数器，每个都有属于它自己的比较寄存器，可以产生非对称的和对称的PWM波形。 4.4.2 驱动信号产生机理
利用DSP TMS320F240芯片的事件管理器的三个全比较单元输出6路PWM驱动信号和一个单比较单元输出的1路PWM驱动信号，来驱动双向全桥直流变换器的8个主开关管和电池侧的有源无损钳位开关管，如图4.6所示对应关系。下面分别介绍充放电模式驱动信号产生机理。
4.4.2.1 充电模式
充电模式时，变换器开关管Q1~Q4有驱动信号，Q5~Q8没有驱动信号，则全比较单元1、全比较单元2工作。
全比较单元1、全比较单元2产生的4路2对互补信号PWM1、PWM2和PWM3、PWM4分别用来驱动变换器高压侧开关管Q1~Q4，采用移相控制方式，超前桥臂开关管超前滞后桥臂开关管一定的角度，这个角度即是移相角?，且桥臂上下开关管驱动信号互补且有死区时间防止开关管上下直通。因此，固定全比
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较单元1发生时间，再经过延迟移相角发生全比较单元2，这样就可以实现超前臂和滞后臂之间0~180度范围内移相。该方法实现原理参考图4.7。
从图4.7中可以看出，定时器T1采用连续增减计数模式，在计数器T1CNT=0下溢中断和T1CNT=T1PR周期中断时，计算和更新比较寄存器CMPR1和CMPR2的值。设移相角?对应的延迟时间为t?，对应的DSP内部计数值为N?，显然在0～T/2区间内CMPR1与CMPR2的关系以及T/2～T时间段内CMPR1、CMPR2的值与0～T/2时间段内CMPR1、CMPR2的值的关系可分别用(4-11)式和(4-12)式表示如下：
4.4.2.2 放电模式
放电模式时，变换器开关管58QQ～有驱动信号，14QQ～没有驱动信号，全比较单元3、单比较单元1工作。
全比较单元3产生的驱动信号PWM5用来驱动5Q、8Q，单比较单元1产生的驱动信号PWM7用来驱动7Q、6Q。PWM5和PWM7两路信号进行与非运算后经过数字I/O口输出信号来驱动有源钳位开关管cQ。该方法实现原理参考图4.8。
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