2. 研究的基本内容与方案

2.研究的基本内容及目标、拟采用的技术方案及措施
2.1研究目标
本文将旨在设计一个大功率升压型DCDC变换器的硬件部分，以期实现在输入为200-300V的直流电压条件下，其输出电压能在450-650V的范围内调节，在额定功率50KW实现恒流、恒压和恒功率输出功能。
2.2研究内容
（1）总体方案设计，包括功能需求， 升压型四相移相并联主电路拓扑结构设计。
旨在设计一个四相移相并联主电路设计，输出直流电供给给电机或蓄电池。结合参数需求选定硬件。
（2）控制驱动电路硬件设计。
结合主电路的拓扑结构及硬件，确定对应的控制及驱动电路。此处采用DSP28335作为主控芯片。
（3）信号采集处理电路设计。
根据采样信号的大小、范围及形式，确定信号采集处理电路的方案及对应的硬件设计及选型。
（4）CAN通信电路设计。
2.3 技术方案
2.3.1主电路设计
四相移相并联DCDC升压主电路原理图如下：

图2.1 四相移相并联DCDC升压主电路原理图
图中利用MOS管做开关元件，每个MOS管都反向并联一个寄生二极管。每个电感都串联了一个功率MOS管，相比较于普通的二极管而言，功率MOS管有更低的功耗，减少耗散功率。四路DCDC电路采用交错并联技术的原因是功耗的同时，将每一路的驱动错开360/N 度，可以有效减少输出电容的充放电时间，从而减少输出电容的纹波电流。相关研究表明，采用交错并联技术的变换器，其输出电流纹波可以大幅度减少，甚至在某些工作点可以实现零纹波，从而大大减轻了输出电容的压力。

2.3.2 控制及驱动电路设计
模拟控制技术对电路的设计要求高，参数匹配困难，而数字控制技术易于实现DC/DC变换器集成化、小型化，同时还具有控制精确、工作可靠、损耗低、效率高等优点。所以在本设计中将采用DSP芯片TMS320F28335作为主控芯片，运用先进的DSP数字控制技术来构造四相移相并联DCDC升压主电路的数字控制器，实现对主电路的反馈闭环控制。数字控制器的设计包括主控制电路、采样电路、驱动电路以及通讯电路这四部分设计。基于TMS320F28335的完整四相移相并联DCDC升压主电路的数字控制器结构框图如图2.2所示。

图2.2 TMS320F28335数字控制器原理框图
四相移相并联DCDC升压主电路输入端与输出端的电压、电流、温度等强电模拟信号经过采样电路转换为0~3V以内的弱电数字信号，送至由主控芯片28335构成的主控制电路中计算出反馈控制量，驱动电路以此控制量产生相应的PWM驱动信号驱动MOS管的工作。
对应MOS管驱动电路的设计：本方案采用MOS管作为功率开关管，其等效电路如图2.3所示。

图2.3 功率MOS管等效原理图
B o o s t 变换器由于存在右半平面零点， 容易造成环路不稳定， 采用电压外环加电流内环的双环控制， 可以提高电路的稳定性能和动态响应。本设计采用一个电压外环控制输出电压， 电压外环的输出分别作为4 路Boost变换器电流内环的参考，4个电流内环共用一个基准，保证了4路Boost 变换器的均流。

图2.4 双环控制技术
2.3.3采样处理及CAN通信电路设计
（1）电压采样
需要采样的电压信号有输入电压Uin和输出电压Uo，这两个信号能够反映输入输出的工作情况，DSP控制器可以根据这两个电压信号的大小，对Boost变换器进行调节，确保电路处于安全的工作区内。
Uin和Uo的电压采样均采用LEM公司的电压传感器，型号为LV-25P。LV-25P的主要优点包括出色的精度、良好的线性度、低温漂、抗外界干扰能力强、共模抑制比强、反应时间快和频带宽等，具体的参数指标见表2.1。通过合适地选取外部电阻R1以及测量电阻RM，就可以将Buck主电路中的高电压信号转换成DSP可接受的0~3.3V弱电压信号。
表2.1霍尔电压传感器CHV-25P基本参数

型号 LV-25P
IN 额定电流(RMS) 10mA
RM 测量电阻 RMmin RMmax
（VC=±12V） 30Ω（在10mA或14mA时） 190Ω（在10mA时）
100Ω（在14mA时）
（Vc=±15V） 100Ω（在10mA或14mA时） 350Ω（在10mA时）
190Ω（在14mA时）
IM 测量电流（输出电流） 输出额定值25mA，对应原边额定电流IN=10mA
KN 匝数比 2500:1000

电压采样原理图如图2.5所示。

图2.5 电压采样原理图
若被检测电压为Uin，则有：IN=Uin/R1;
根据LEM LV25-P的匝数比可知副边电流为：IM=(n1/n2)*IN=2.5 IN;
经过副边测量电阻RM可得其电压为：UO=IMRM;
UO经过主控ADC模块转换成数字信号得到相应的数字值，软件再通过逆转换处理可得实际电压值。
实际电路设计中由于主电路中开关管的动作，带来的高频开关噪声等会对检测信号带来强烈的干扰，因此检测电路中需要对高频噪声进行滤波处理。引入低通滤波器可以大大衰减截止频率以上的信号，但该环节都会有一定的滞后性，截止频率太低的话会对系统的控制延时带来影响，所以在保证能滤除干扰噪声的前提下使截止频率尽量高一点。交流（AC）电压采集应在电路中加上电平抬高电路以满足电压为负时的采集。
（2）电流采样
电流信号包括输入电流IN和输出电流IM两种，本课题中对于这两种电信号分别使用可实现隔离，精度和线性度都高的闭环霍尔电流传感器CHB-200SF和CHB-50SF。其工作原理图如图2.6所示。

图2.46电流采样原理图
由于原信号就是电流信号，与电压采样相比减少原边采样电阻环节。IN为互感器原边被检测电流，经过传感器（n1:n2）后在副边测量电阻RM两端形成相应大小的电压信号UO，实现电流信号的隔离变送。UO通过主控ADC模块转换成数字信号得到相应的数字值,软件通过逆转换处理可得实际电流值。测量电阻RM可采用多个相同电阻进行并联，以提高电阻功率，减小发热。 在实际电路中，为降低高频噪声干扰要经过多次滤波，并且在硬件电路上信号传输及软件处理时都有一定的延时作用，一旦发生过流过压等故障，如果不能及时进行保护措施将会导致严重的灾难，为了更加快速的对故障信号进行反应并处理，在电路设计中引入硬件保护，即硬件上直接对模拟信号进行比较判断，一旦超过设定的阈值，立即进行关断开关管，对电路进行及时保护，同时有相应的信号传达至系统主控作软件后处理。
（3）温度检测
温度检测采用一线式数字温度传感器DS18B20，DS18B20可以直接将检测的温度模拟信号转换为16为数字电信号以串行方式输出，用户可编程9~12位的A/D转换，DS18B20对温度的分辨率高达0.0625℃。DS18B20工作既可通过外部供电，也可采用寄生电源供电。图2.7是TO-92封装的DS18B20的引脚结构图。

图2.7 TO-92封装的DS18B20的引脚结构图
由于DSP与DSP18B20的电压不兼容，因此DS18B20则采用外部5V供电的方式，并且在本设计中的DS18B20与DSP28335之间插入了一个ADuM1233，该芯片可以起到双向隔离缓冲的作用，图2.8中使用了两个DS18B20与DSP连接的电路示意图。

图2.8 DS18B20与DSP连接示意图

（4）CAN通信
主控制模块同时集成CAN总线与MODBUS485总线接口，CAN总线接口为主控制模块与纯电动汽车车载BMS系统的控制接口，纯电动汽车车载BMS系统提供的实际能量需求给出输出电压、电流给定值信号，经过CAN总线接口电路后传送给MCU，作为给定信号参考值；MODBUS485实现数据信息监控及故障诊断，显示温度、输入电压、输入电流、输出电压、输出电流、输出功率及充电状态等相关信息，并在故障状态下显示故障代码。
在本设计中的通讯电路硬件设计都非常简单，对485和CAN通讯分别使用了广州周立功公司生产的功能模块嵌入式隔离RS-485收发器RSM3485CHT和高速CAN隔离收发器CTM1050T如图2.9。使用功能通讯模块，可以节省PCB的布板空间和设计难度，使电路简单化。与用分离器件搭建的通讯电路相比，使用上述的通讯功能模块，无需外加元件可直接使用，并且具有很好的隔离特性，电磁辐射EME极低，电磁抗干扰EMI性极高，为相应的通讯编程带来极大的方便。

如图2.9 通讯功能模块RSM485和CTM1050T应用示例