一種基于LLC諧振變換器的中壓直流電源技術(shù)研究

任雪峰

(海軍裝備部駐南京地區(qū)第二軍事代表室，南京 211153)

0 引 言

21世紀(jì)是信息化的時代。信息化的快速發(fā)展使得人們對于電子設(shè)備、產(chǎn)品的依賴性越來越大，而這些電子設(shè)備、產(chǎn)品都離不開電源。經(jīng)過幾十年的發(fā)展，大功率開關(guān)電源技術(shù)越來越趨于成熟。它具有體積小、效率高的特點，已經(jīng)逐步替代了傳統(tǒng)的、效率較低的線性電源和相控電源。大功率開關(guān)電源組件安裝在各種設(shè)備上，為設(shè)備供電，其性能和可靠性直接影響設(shè)備的性能和任務(wù)的完成。大功率中壓直流電源主要為相控陣?yán)走_(dá)天線陣面提供供電，具備效率高、電網(wǎng)調(diào)整率低、負(fù)載調(diào)整率低、穩(wěn)壓精度高、電磁兼容性好等特點。

1 電源架構(gòu)設(shè)計

基于智能編程技術(shù)的中壓直流電源拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)見圖1。中壓直流電源包含EMI濾波電路、PFC電路、LLC諧振變換器、輸出整流濾波電路、PFC控制電路、LLC控制電路、輔助電源等部分，中壓直流電源同時還具備均流、熱插拔、通信、監(jiān)控和故障保護(hù)等功能。

三相輸入交流電先經(jīng)過EMI濾波電路抑制電網(wǎng)上的噪聲，再經(jīng)過三相三電平PFC電路，通過PWM調(diào)制控制輸入電流與輸入電壓同相同頻，同時將三相交流電轉(zhuǎn)換為高壓直流電。LLC諧振變換器通過PFM調(diào)制將高壓直流電轉(zhuǎn)換為高頻高壓交流電，再經(jīng)過全波整流電路轉(zhuǎn)換為隔離的高壓直流電輸出。[1]

2 電源電路實現(xiàn)

2.1 PFC功率因數(shù)校正

2.1.1 PFC功率因數(shù)校正原理

三相PFC工作原理圖如圖2所示。

圖1 中壓直流電源拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

圖2 三相PFC 工作原理圖

電路開關(guān)器件MOSFET、PFC整流二極管工作在軟開關(guān)(如ZVS)狀態(tài)下具有效率高、電磁干擾小等優(yōu)點[2]。其工作原理如下：以A相橋臂為例，當(dāng)雙向MOSFET管開關(guān)SW1開通時，整流器的輸入端電壓被鉗位于直流母線中點，電感電流絕對值上升；當(dāng)雙向MOSFET管開關(guān)SW1關(guān)斷時，整流器的輸入端電壓為+Vdc/2或-Vdc/2，電壓極性由A相電流的極性決定，電感電流絕對值下降。因此，A相橋臂有3個開關(guān)狀態(tài)“1”、“0”、“-1”。整流器的輸入端被分別鉗位于直流母線的正極、中點和負(fù)極，并由此控制輸入電流的幅值大小和方向。依次類推，可以對B、C相進(jìn)行相應(yīng)分析。該電路拓?fù)渲鏖_關(guān)承受的電壓是輸出電壓的1/2，無直流輸出電壓直通問題，控制和驅(qū)動電路簡單，其中每相的開關(guān)采取MOSFET管共源極的雙向開關(guān)形式。當(dāng)雙向開關(guān)開通時，假如電流流過左側(cè)MOS管，則右側(cè)MOS管處于同步整流狀態(tài)。所以，當(dāng)其關(guān)斷時，幾乎沒有反向恢復(fù)電流。因此，該拓?fù)涞恼麟娐房梢怨ぷ髟谳^高的開關(guān)頻率下。

PFC電路包含以下幾部分：輸入保護(hù)及浪涌抑制部分、PFC功率變換部分、PFC輸出濾波部分、DSP控制及信號采集處理部分。

輸入保護(hù)及浪涌抑制部分由限流電阻、繼電器、輔助控制電路組成。開機(jī)時，先通過限流電阻對輸入濾波電容充電，適當(dāng)?shù)剡x擇限流電阻可以限制電源開機(jī)瞬間的最大浪涌電流。等濾波電容充滿電后，繼電器動作，使限流電阻短路，電源正常輸出功率。

PFC功率變換部分包括BOOST電感、開關(guān)管、升壓二極管和儲能電容，把輸入三相交流電變換成穩(wěn)定的直流電，并對其諧波失真進(jìn)行校正處理，使得輸入的功率因數(shù)滿足技術(shù)要求。PFC輸出濾波部分的共模電感和其前后的濾波電容可以抑制電源本身對輸出的高頻干擾。輸出儲能電容用于滿足輸出直流電壓的紋波與跌落范圍的要求。[3]

DSP控制電路及信號采集處理部分采集電源的內(nèi)部溫度及輸入輸出電壓電流信號進(jìn)行運算處理，分別對電源輸入缺相/過欠壓、輸出過壓、輸入/輸出過流/短路、功率器件過溫等保護(hù)功能實行控制。輸出故障信號通過LED指示告警。采集電壓電流信號對其失真度、幅值、相位進(jìn)行分析運算處理，輸出可控的PWM信號到PFC驅(qū)動電路。PWM信號放大后控制PFC功率變換電路，實施升壓、諧波補(bǔ)償、功率因數(shù)校正及輸出穩(wěn)壓等功能。電源開關(guān)信號進(jìn)入DSP控制電路實施開關(guān)機(jī)控制，關(guān)機(jī)時關(guān)斷PFC輸出電壓，開機(jī)時輸出PFC輸出電壓。

2.1.2 PFC軟件設(shè)計

PFC采用DSP編程。DSP 采樣電流、電壓信號進(jìn)行 SVPWM 算法控制，生成驅(qū)動信號。整個系統(tǒng)的工作狀況可以劃分為幾種模式：

(1) 模式1：對整個系統(tǒng)進(jìn)行檢測，接收到開始信號；

(2) 模式2：完成環(huán)路計算和坐標(biāo)變換，完成SVPWM計算；

(3) 運行模式：整個系統(tǒng)處于運行狀態(tài)，在正常情況下輸出驅(qū)動信號；

(4) 停止模式：遇到錯誤或收到停機(jī)指令封鎖驅(qū)動信號，整個系統(tǒng)進(jìn)入停機(jī)狀態(tài)，繼電器斷開。

PFC部分DSP軟件設(shè)計采取“循環(huán)+中斷”的控制結(jié)構(gòu)。系統(tǒng)主程序首先進(jìn)行系統(tǒng)初始化，然后對各種功能模塊進(jìn)行配置。當(dāng)系統(tǒng)檢測沒有錯誤后閉合繼電器；如檢測到系統(tǒng)錯誤則產(chǎn)生中斷，進(jìn)入中斷服務(wù)子程序。

主程序主要執(zhí)行系統(tǒng)控制指令檢測和故障檢測，但環(huán)路計算、區(qū)間判斷、矢量作用時間計算、分配、PWM 驅(qū)動等程序都需要在中斷子程序中完成，其中關(guān)鍵的是AD中斷子程序。

PWM計時周期就是開關(guān)周期45 kHz。PWM的定時中斷可以作為每一個環(huán)節(jié)的計時器，使整個系統(tǒng)可以同步工作。PWM周期起始時刻，PWM模塊觸發(fā)AD轉(zhuǎn)換。經(jīng)過AD處理后觸發(fā)一次DSP中斷。中斷期間對結(jié)果進(jìn)行計算處理后將新占空比賦值給PWM中的影子比較寄存器。在下一個 PWM 周期到來時對比較寄存器重載，獲得PWM驅(qū)動脈沖信號，并繼續(xù)觸發(fā)下一次AD采集，不斷地重復(fù)上述過程。

2.2 LLC諧振變換器

2.2.1 LLC諧振變換器原理

LLC諧振變換器主電路如圖3所示。電感L1、變壓器T1和C1A、C1B組成諧振網(wǎng)絡(luò)，其輸入電壓為受Q1、Q2控制的方波。MOS 管Q1、Q2 占空比均為50%，Q1和Q2驅(qū)動信號之間存在一定死區(qū)，防止Q1、Q2直通。通過調(diào)整Q1、Q2控制信號的頻率，改變輸入到諧振網(wǎng)絡(luò)的方波電壓的頻率，從而改變諧振網(wǎng)絡(luò)中各元器件基波分量，穩(wěn)定輸出電壓。

2.2.2 LLC諧振變換器軟件設(shè)計

LLC諧振變換器軟件采用DSP編程。主程序完成初始化，然后等待中斷。首先是系統(tǒng)控制初始化，主要完成設(shè)置鎖相環(huán)、 看門狗外設(shè)時鐘。 接著是GPIO口的初始化，主要是設(shè)置各個口的功能、初始狀態(tài)、數(shù)據(jù)傳輸方向等。然后是PIE中斷擴(kuò)展的初始化，主要是初始化PIE 控制寄存器，禁止所有CPU中斷和PIE中斷，清除標(biāo)志位，初始化PIE向量表。最后是所有外設(shè)模塊的初始化，主要包括ADC模塊和EPWM模塊中關(guān)鍵寄存器的設(shè)置。

圖3 LLC諧振變換器主電路圖

根據(jù)交錯控制的需要發(fā)出兩路驅(qū)動波形，而且要保證這兩路驅(qū)動波形的頻率一致，相位相差90°。電源模塊LLC控制采用EPWM1和EPWM2分別給主路和輔路發(fā)驅(qū)動波形。為實現(xiàn)交錯控制，把兩個EPWM作同步處理，EPWM1作為主模塊，而EPWM2作為輔模塊，保持一定相位關(guān)系。

在 A/D 中斷中，完成軟件濾波、軟啟動、數(shù)字運算、過壓保護(hù)等功能。應(yīng)用EPWM3啟動A/D轉(zhuǎn)換，采樣頻率為100 kHz。采樣值在轉(zhuǎn)換完成后開始A/D中斷，執(zhí)行相應(yīng)的程序。

2.3 輔助功能設(shè)計

2.3.1 監(jiān)控功能

電源監(jiān)控的目的是在線監(jiān)測電源的工作狀態(tài)，獲取電源工作中的電壓、電流、溫度等信息，以及電源自身的狀態(tài)、故障信息，并通過CAN通信總線將電源的狀態(tài)信息上報給上位機(jī)，方便使用和維護(hù)人員對電源狀態(tài)進(jìn)行判斷、檢修。同時，電源監(jiān)控單元通過CAN通訊總線接收上位機(jī)發(fā)出的指令，實現(xiàn)對電源遠(yuǎn)程控制功能。

2.3.2 保護(hù)功能

電源設(shè)計了各種保護(hù)電路，以確保電源可靠工作以及保護(hù)電源負(fù)載的用電安全。電源除了具有恒壓恒流功能，還具有輸入過流、輸出過壓、過溫等保護(hù)功能。

(1) 輸入過流保護(hù)功能

通過電流互感器將輸入的電流信號采樣后轉(zhuǎn)變成電壓信號，如果負(fù)載電流超出額定范圍造成輸入過流，則關(guān)斷電源輸出，起到保護(hù)電源的作用。

(2) 輸出過壓保護(hù)功能

輸出過壓保護(hù)的主要目的是保證電源的負(fù)載能夠正常工作。當(dāng)電壓高于設(shè)定值時，關(guān)斷電源輸出，有效保護(hù)電源和負(fù)載。針對系統(tǒng)保護(hù)的可靠性，電源內(nèi)部設(shè)置了軟件和硬件兩種保護(hù)措施。這兩種保護(hù)措施是相互獨立的，一種電路失效都不會影響到另一種保護(hù)電路的正常工作。

(3) 過溫保護(hù)功能

電源采用液冷卻方式。在工作過程中，如液冷系統(tǒng)發(fā)生故障會造成熱量無法及時散發(fā)，此時若無過溫保護(hù)必然會損壞電源。因此，采用溫度傳感器檢測冷板溫度。當(dāng)冷板溫度超過保護(hù)溫度時，電源內(nèi)部保護(hù)電路將電源關(guān)機(jī)；當(dāng)冷板溫度降至保護(hù)溫度以下時，保護(hù)電路解除過熱保護(hù)，電源重新開機(jī)，進(jìn)入正常工作狀態(tài)。

2.3.3 熱插拔功能

電源組件多機(jī)并聯(lián)使用中，由于電源組件輸出端通常接有較大電容，如果直接進(jìn)行在線更換，將引起輸出母線上電壓較大波動，從而影響系統(tǒng)對負(fù)載正常供電，同時還會引起連接器插針間產(chǎn)生飛弧。熱拔插的實現(xiàn)通常采用隔離的方式，讓組件完成啟動前其輸出端電容與母線隔離開。本電源為高壓、小電流輸出，采用二極管隔離。當(dāng)電源插入未完成緩啟動時，母線電壓高于輸出電容電壓，此時二極管截止，使輸出電容和母線隔離；當(dāng)組件完成緩啟動后，輸出電容電壓高于母線電壓時二極管導(dǎo)通，正常輸出電流。

2.3.4 并聯(lián)功能

為了提高電源供電系統(tǒng)的可靠性，一般會采取多個電源集中并聯(lián)供電的供電方案。電源組件可組成N臺并聯(lián)系統(tǒng)。當(dāng)每個機(jī)柜中有一臺電源出現(xiàn)故障時，其余電源自動增加輸出功率，保證能夠提供負(fù)載所需的功率，不會影響整個系統(tǒng)的正常工作。這樣當(dāng)每個機(jī)柜中的電源均正常工作時，每個電源組件的輸出功率將平均分配負(fù)載功率。由于電源組件是降額使用，提高了電源組件的工作可靠性，系統(tǒng)可靠性相應(yīng)提高。

為了可靠地實現(xiàn)多路電源組件的并聯(lián)工作，最重要的是解決各個電源組件的均流問題，以保證各電源組件之間電流應(yīng)力和熱應(yīng)力均勻分配，防止一部或多部電源工作在電流極限狀態(tài)。由于并聯(lián)運行的各個組件特性并不一致，某一組件可能分擔(dān)更多的電流，甚至過載，從而使某些外特性較差的組件運行于輕載甚至空載，其結(jié)果必然是分擔(dān)電流多的組件熱應(yīng)力大，降低該組件的工作可靠性。

自動均流技術(shù)是常用的硬件電流均流技術(shù)之一。該方法是通過均流總線和相并聯(lián)各電源間電流信號的比較獲得相應(yīng)修正量，來調(diào)整電源組件的PWM信號寬度，實現(xiàn)各單元電源間電流均勻分配的。

每個電源組件內(nèi)部都有并聯(lián)均流控制電路，通過多個電源組件的并聯(lián)可組成大功率電源系統(tǒng)。電源組件的并聯(lián)電路分兩部分，粗調(diào)整由單機(jī)硬件實現(xiàn)，精確調(diào)整采用DSP 運算均流電路。電源組件間通信采用數(shù)字信號進(jìn)行，對各電源組件電流進(jìn)行求和平均，再加PID處理，調(diào)整各電源組件的電流，保證均流精度。電源組件輸出端設(shè)計有二極管隔離，并聯(lián)模塊中任何一個模塊出現(xiàn)故障其他模塊仍能正常工作，提高了電源系統(tǒng)的工作可靠性。

3 電源性能驗證及試驗結(jié)果

根據(jù)以上方法，研制了包含6臺中壓直流電源的電源機(jī)柜。該電源機(jī)柜為某相控陣?yán)走_(dá)供電系統(tǒng)中的一次電源，為雷達(dá)天線面陣提供550 V的直流電。電源機(jī)柜需提供45 kW的輸出功率。因此，采用了6臺中壓直流電源并聯(lián)工作的方式，5加1冗余熱備份工作，每臺中壓直流電源輸出功率約10 kW(550 V/18 A)。

中壓直流電源技術(shù)指標(biāo)如下：輸入三相三線380 V、50 Hz，輸出550 V、18 A；效率≥92%(40%以上范圍)；功率因數(shù)≥0.98(滿載)；電網(wǎng)調(diào)整率≤1%(線網(wǎng)電壓變化±10%)；負(fù)載調(diào)整率≤1%(空載-滿載)。

對中壓直流電源進(jìn)行了測試驗證，測試數(shù)據(jù)如表1所示。

表1 單臺中壓直流電源測試數(shù)據(jù)

從測試數(shù)據(jù)可以看出，中壓直流電源的各項關(guān)鍵指標(biāo)都達(dá)到了設(shè)計目標(biāo)，均優(yōu)于指標(biāo)要求，具備效率高、電網(wǎng)調(diào)整率低、負(fù)載調(diào)整率低、電磁兼容性好的優(yōu)點。

對6臺中壓直流電源進(jìn)行了并聯(lián)測試，測試數(shù)據(jù)如表2所示。從并聯(lián)測試數(shù)據(jù)可以看出，在50%至滿載范圍內(nèi)能將均流誤差控制在5%以內(nèi)，而其他負(fù)載條件下可以將均流誤差控制在10%以內(nèi)。

表2 中壓直流電源并聯(lián)測試數(shù)據(jù)

4 結(jié)束語

經(jīng)過各項試驗驗證表明，本文提出的基于智能編程技術(shù)中壓直流電源具備效率高、電網(wǎng)調(diào)整率低、負(fù)載調(diào)整率低、穩(wěn)壓精度高、電磁兼容性好等特點，能夠滿足預(yù)定的設(shè)計目標(biāo)要求。下一步研究方向為電源組件的組合分配控制網(wǎng)絡(luò)設(shè)計，從而進(jìn)一步提升大功率相控陣?yán)走_(dá)供電系統(tǒng)的任務(wù)可靠性。