基于DSP+CPLD的LLC諧振變換器的研究

胡顯玉

摘要：本文介紹了一種基于DSP+CPLD配合控制的LLC諧振全橋變換器，采用移相控制和調頻控制相結合的方法，使得輸出電壓在全范圍內可調。該設計方法能有效地減小變換器的體積，提高變換器的效率。并且控制回路具有功率器件驅動、保護和外部通訊功能。最后，在一臺輸入為DC 620（1±2.5%）V，輸出為DC 400V/2694W的原理樣機上驗證了該混合控制方法的可行性以及電路參數設計的正確性。

關鍵詞：LLC諧振變換器；移相；調頻；混合控制

中圖分類號：TM46 文獻標識碼：A 文章編號：1007-9416（2017）09-0080-04

艦船磁場的存在威脅其生存，為了提高艦船的隱身性能，必須對其進行消磁。消磁電源是一個分布式系統[1]，因其可靠性高、損耗低、易維護等優(yōu)點而被廣泛采用。然而消磁電源中的第二級DC-DC變換器是消磁電源的核心部分，為了減小電源的體積和重量，DC-DC變換器的高頻化、高效率和高功率密度已成為一種發(fā)展趨勢。由于傳統變換器的開關器件工作在硬開關狀態(tài)下，開關頻率的升高導致開關損耗的增加，這樣降低了變換器的效率，不利于開關的高頻化。而LLC諧振全橋變換器憑借自身的高頻率、高效率、高功率密度等優(yōu)點已經在電氣領域得到了廣泛應用。LLC諧振變換器在負載或者輸入電壓變化時，能很好地調節(jié)輸出電壓，起到穩(wěn)定輸出電壓的作用[2-3]。控制部分是基于DSP+CPLD的混合控制策略，在同一變換器中使用調頻和移相兩種控制模式，并且這兩種控制模式能平穩(wěn)地切換和過渡。工作中變換器根據指令需求調整電壓的輸出，選擇性地工作在調頻模式或者移相模式下，實現了輸出電壓在全范圍內任意可調。

1 LLC諧振變換器的工作原理

圖1為LLC諧振全橋變換器的電路原理圖。逆變電路有4個MOSFET開關管（Q1、Q2、Q3、Q4）構成，其中D1～D4與C1～C4分別為MOS管的體二極管和寄生電容，諧振電感Lr、諧振電容Cr、勵磁電感Lm組成了諧振網絡部分，DR1、DR2組成了全波整流電路，Cf為濾波電容。MOS管Q1、Q4為同一路帶有死區(qū)的驅動信號，Q2、Q3為同一路帶有死區(qū)的驅動信號，且兩路驅動信號占空比相同，最大占空比為0.5。LLC諧振變換器工作過程中存在兩個開關頻率，一個是由Lr和Cr共同參加的諧振頻率，另一個是由Lr、Cr和Lm三者共通參加的諧振頻率。圖2為變換器工作時的原理波形。

變換器對應的時域工作波形如圖2所示。從上圖可以看出在一個周期內變換器有6種工作模態(tài)，后半個周期的工作模態(tài)和前半個周期一樣。變換器工作在半個周期內可以分為以下三種工作模態(tài)。

模態(tài)1[t0，t1]：t0時刻前，開關管Q1、Q4的體二級管導通，因此t0時刻Q1、Q4零電壓開通，A、B之間的電壓VAB等于Vin，此時變壓器原邊承受正向電壓，副邊整流二極管DR1導通，DR2截止。此階段只有Lr、Cr參與諧振，Lm兩端電壓被鉗位在nVo。勵磁電感電流iLm線性上升，諧振回路電流iLr以正弦形式逐漸升高，iLr與iLm的差值通過變壓器向負載RL供電。

模態(tài)2[t1，t2]：在t=t1時刻，諧振電流iLr與勵磁電感電流iLm相等，諧振回路與輸出側脫離，整流二極管DR1的電流自然減小到零，實現了零電流關斷。Lm不再被鉗位，此階段Lm、Cr、Lr一起參與諧振。

模態(tài)3[t2，t3]：在t=t2時刻，諧振電流iLr開始對Q1、Q4的結電容充電，對Q2、Q3的結電容放電。由于有C1～C4，開關管Q1、Q4近似為零電壓關斷。t=t3時刻，Q1、Q4的電壓下降到零，其體二極管D1、D4導通，此時Q2、Q3零電壓開通。

2 LLC諧振變換器的控制系統

圖3為LLC諧振變換器硬件系統結構框圖。它主要有主電路、控制電路、驅動電路、檢測電路和保護電路組成。系統以芯片TMS320F2810型DSP和MAX3000A系列EPM3256ATC144-10型CPLD為控制核心，完成對系統驅動信號的控制，實現了LLC諧振變換器的移相功能和頻率調節(jié)功能，在這種混合控制方式下，保證了輸出電壓在寬范圍內可調。并且控制回路具有輸入、輸出保護功能，一旦電路出現異常狀況，立刻封鎖PWM驅動信號，關斷主電路中的開關管[4-5]。

2.1 LLC諧振全橋變換器的移相控制

變換器工作在移相控制方式下時，開關頻率固定在諧振頻率，通過改變占空比來調節(jié)變換器的輸出。關于移相脈沖的產生方式，文獻[6]提出了一種較為簡單的移相脈沖生成方法，即直接通過DSP的兩個全比較單元產生4路移相脈沖。DSP的兩個全比較單元CMPR1、CMPR2分別生成兩對帶有死區(qū)的互補PWM波形，并且只需要改變CMPR1和CMPR2的值就可以實現PWM波的移相。

2.2 LLC諧振全橋變換器的調頻控制

調頻控制下的LLC諧振變換器有兩種工作模式，根據fs和fr之間的大小關系，變換器可以升壓和也可以降壓。fsfr時，變換器處于降壓模式，增益小于1。變換器工作在調頻控制方式下時，4路PWM波的占空比都固定為1，通過改變定時器周期寄存器T1PR的值來改變PWM波的頻率，實現開關頻率的調節(jié)，進而調整變換器的輸出電壓。比較控制寄存器CMPR1、CMPR2的值根據周期寄存器的值做出相應的改變。

2.3 變換器的控制流程

為了能夠實現輸出電壓寬范圍的調節(jié)，本文采用了一種混合控制方式。使用DSP的通訊功能，電腦模擬上位機給定一個電流值，DSP根據電流值的大小自行調頻或是調占空比，以改變變換器的增益，讓負載電流達到上位機的給定值。移相和調頻各有一個調節(jié)范圍，之間有一個區(qū)分點。開始時，變化器的輸入電壓升到額定620V，輸出電壓為400V，輸出電流6.67A，如果上位機給定值在調頻范圍內，則占空比先調整為1，再采用調頻控制輸出；如果上位機給定值在移相范圍內，則頻率先調整至諧振頻率，再采用移相控制輸出。最終實現變換器輸出電壓在（0-440）V全范圍內可調。變換器輸出控制段如圖4所示。

LLC變換器的控制流程圖如圖5所示。DSP在T1下溢中斷和T1周期中斷中生成移相脈沖，在T4下溢中斷中完成頻率的調節(jié)和移相占空比的調節(jié)，使得輸出電壓達到設定值。DSP在主循環(huán)中不停地檢測來自CPLD由比較電路產生的高低信號，只要發(fā)生高低電平變化，則說明變換器在運行過程中出現了異常的狀況，此時立刻關閉PWM波，起到保護變換器的作用。

3 主電路參數設計

只有對變換器諧振回路中的器件參數進行合理的計算與選取，才能保證開關管的ZVS和整流二極管的ZCS。本文LLC諧振變換器的參數指標設定：輸入電壓DC 620（1±2.5%）V，輸出電壓DC 400V，輸出電流6.67A，輸出功率2694W，諧振頻率fr=145KHZ。

3.1 變換器的諧振網絡分析

調頻控制時，為了使變換器的傳輸效率較高，通常讓變換器工作在諧振頻率點的附近。變換器的輸出電壓增益為：

公式（1）中，n為變壓器原、副邊的變比；Ln為勵磁電感與諧振電感的之比，；品質因素；為開關頻率與諧振頻率之比，。

3.2 變換器的增益曲線

調頻工作時，變換器的增益隨頻率變化而變化。本文借助MATLAB軟件畫出了變換器增益與頻率的關系曲線[8]。圖6是一組變換器在不同Q值下的增益隨頻率變化的曲線，其中Ln=5，D=1。從圖中可以看出，當Q值等于0.5，工作在諧振頻率（fN=1）附近時，工作頻率大于諧振頻率（fN>1），增益M<1；工作頻率小于諧振頻率（fN<1），增益M>1。

變換器調占空比工作時，變換器的增益隨占空比改變而變化。文獻[9]采用時域分析法，列出了變換器移相工作時的其中三個時間區(qū)域的狀態(tài)方程組。本文借用其方程組并使用MATLAB軟件，畫出了一組變換器在不同Q值情況下的增益M和占空比D之間的關系曲線，如圖7所示，其中Ln=5，fN=1。從圖7可以看出，變換器的增益M隨占空比減小而減小。

3.3 LLC諧振全橋變換器的參數計算

LLC諧振變換器需要確定的參數有變壓器原、副邊匝比n，勵磁電感與諧振電感比值Ln，以及品質因素Q。

（1）計算變壓器的變比。變換器額定工況下工作在諧振頻率點，此時變換器的增益為1。LLC輸出整流二極管D1、D2的導通壓降VF。

（2）計算變換器的品質因素Q值：

考慮95%的欲量，Q值取0.4988作為滿足ZVS條件之一。

能實現ZVS，還需要保證開關管動作的時候，諧振電流在死區(qū)時間內能把MOSFET開關管Coss電容上的電壓抽完。

綜合考慮取較小的Q值0.4988為滿足ZVS條件。

4 實驗驗證

為了驗證所提出的混合控制策略的可行性與電路參數設計的正確性，本文研制了一臺LLC諧振全橋變換器原理樣機。

圖8是LLC諧振變換器滿載輸出時，圖（a）為調頻控制模式（400V輸出、350V輸出）和圖（b）為移相控制模式（250V輸出、60V輸出）的波形圖。CH1～CH4依次為開關管Q3的開通電壓VGS、橋臂中點AB兩端電壓VAB、諧振回路電流iLr、諧振電容電壓VCr。從圖中可以看出，通過調頻或調占空比可以調節(jié)輸出電壓。變換器能很好地工作在調頻控制和移相控制方式下。

圖9是輸出整流二極管DR1的波形圖。CH1～CH4開關管Q3開通電壓VGS、橋臂中點AB兩端電壓VAB、副邊整流二極管的電流iDR、副邊整流二極管反向電壓VDR。圖9（a）為調頻時變換器的工作波形，圖9（b）為調占空比時變換器的工作波形。從圖9可以看出整流二極管承受輸出反向電壓時，流過它的電流已經降為零。實現了輸出二極管的零電流關斷。

5 結語

本文首先詳細的分析了LLC諧振全橋變換器工作原理，然后對LLC諧振變換器的主要參數進行了設計，并且控制部分采用DSP+ CPLD相結合的控制方式，實現了輸出電壓在全范圍內可調。最后，通過實驗樣機得出的成果驗證了本文理論分析的正確性、參數設計的合理性和控制方法的有效性。

參考文獻

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