PWM模块工作异常导致DAB在动态响应测试时PWM错误的解决过程
开关电源仿真与实用设计 2022-09-23
今天在测试DAB变换器的动态响应时发现了一个故障:就是在测试系统的动态响应时,DPS中控制DAB变换器的EPWM4会出现错误的PWM波。它本来应该在当前周期内关闭却意外的没有关闭维持开通,导致变压器电流超出OCP限制进而保护。故障波形可见下图:EPWM4是蓝色PWM,它一直持续开通导致紫色变压器电流产生极大的负向值,触发了OCP保护,然后封波停止工作。

 (图一 紫色异常电流和蓝色异常PWM)

  从故障波形来看,蓝色的驱动波形本来应该在50%占空比处关闭。因为DAB的两个H桥的八个开关都是以50%的占空比互补模式工作,不应该会出现100%占空比。但是这里却整整的开通了一个周期,导致DAB的变压器电流超出范围导致电流互感器动作引起关机。我使用排除法进行排除,最终定位到PWM调制波形的问题上,因为使用的TPS算法在仿真环境中模拟这种工况和其它情况的测试都没有发现存在PWM开通超出50%的问题。该项目中的DAB是由DSP的EPWM1\2\3\4模块来发出8个PWM分别控制两个H桥,EPWM模块都是用周期计数器的单纯上升沿模式做调制波,4组8个PWM都是对上升沿上进行切割来获得占空比,另外高低端管互补开关,使用EPWM自带的互补死区功能来添加死区。

(图二 PWM计数器和3个移相PWM的产生原理示意)

  在配置上是以EPWM1为时间基准,在它的周期计数器的ZRO点发出同步信号,其余的三个EPWM模块接受EPWMSYNC1来进行PWM时基同步。问题就出现在三层移相控制中的最后一个PWM波。它在COUNT上升时间的末端切割CMPAU点,AQ设置为SET。然后在把CMPBU点,设为LOW,可见上图二。在负载切换至轻负载时TPS控制算法会把副边全桥从重负载时较小的内移相转为轻负载时较大的内移相,所以问题的关键就是当EPWM1的COUNT到了PRD后,PWM模块会载入新的控制值,同时发出同步信号。

  在这里的PWM调制方法和PWM模块的配置中,我的想法是EPWM4因为存在内移相最大值,要依靠当前周期作为PWM的开通点,下个COUNT周期的点来做PWM关闭点。这配置在稳态时候也工作的很好,但是在动态时候会遇到其它模块的COUNT遇到EPWMSYNC载入问题。当EPWM1发出EPWMSYNC1到EPWM2、3、4模块时,会强制把COUNT拉到TBPHS的点。如果我的EPWM4的关闭点上在TBPHS之前,当遇到EPWMSYNC进来时,COUNT直接被置到超过了本应该关闭点,那么EPWM4就失去了切割COUNT来关闭的机会了,所以就会导致EPWM4不能关闭,EPWMSYNC同步的示意图可见图三所示。

(图三  EPWMSYNC同步COUNT的示意图)

  对此我的解决办法就是让PWM在一个上升时间周期内全部完成开通和关闭的比较点。可见下图四所示:


(图四  第二种提出的PWM调制方法)

  上图是修改后的PWM模块示意图,简单的讲就是把原边-副边的外移相在同步于EPWM1的三角波上进行CPAU和CPBU的位置的移动来实现滞后移相的控制。原边全桥和副边全桥的内部移相,则是通过用他们对应的三角波来超前EPWM1的基准三角波来实现,所有的PWM模块全部配置为CPAU为SET,CPBU为LOW,OUTB依靠死区模块自动添加死区时间进去。因为所有的PWM模块全部配置为没有对角的状态,也就是在不调整TBPHS超前的情况下A对C,B对D,加在变压器上的电压波形为零。可见下图五所示,通过调整EPWM2或EPWM4这两个原边和副边内移相的调制三角波与EPWM1的超前点,可以让驱动C向前移动,让A与D重叠,也就是产生有效占空比加到变压器上。

(图五 默认情况下内移相最大值的PWM调制)

  当TBPHS超前到三角波周期长度的一半处,就是A与D完全重叠,内部移相角度减弱到零,实现SPS模式工作。同理副边全桥也通过这种操作,就可以完全实现在一个开关周期内全部更新PWM值,不会因为动态导致PWM同步发生错误。因为使用这种配置后内移相的角度与TPS输出的控制值是相反的,比如TPS输出D1为0.9,是需要原边全桥内移相到90%,也就是A与C重叠90%,A与D重叠10%,因此只需把原边全桥EPWM2的调制三角波的时间与EPWM1相比,超前10%即可,所有控制量就是(1-D1)*TBPRD*0.5。同理副边全桥的超前就是(1-(D3-D2))*TBPRD*0.5,把这两个写入TBPHS即完成了移相的控制,经过测试确实是解决了之前的调制方法中存在的问题。


2021年4月的更新:

  这些记录是去年调试时的记录,其实哪怕是我提出的第二种PWM调制方法也不够简洁优雅,后面经过我的研究,已经开发出更简单和可靠的DAB TPS的PWM调制方法,而且所有信号都在一个COUNT的UP阶段全部生效,不会存在第一种PWM调制方法时需要到下一个COUNT的上升沿才关闭的问题。可见效果:

原边和副边两个内移相接近最大值时的输出:

小结:DAB TPS控制在副边内移相最大值时发生PWM异常问题,考虑到EPWM模块的同步逻辑,提出一种新的适用于DAB TPS控制的PWM调制方法,并解决了问题。

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