LLC諧振變換器能以很小的工作頻率變化，調(diào)節(jié)寬范圍的輸出功率，在全負(fù)載變化范圍實現(xiàn)功率開關(guān)管的零電壓開通和零電流關(guān)斷。此處選取數(shù)字信號處理器" title="數(shù)字信號處理器" target="_blank">數(shù)字信號處理器(DSP)作為控制單元，設(shè)計了基于DSP的LLC諧振變換器，并通過分析給出了實現(xiàn)數(shù)字PI控制的具體算法和系統(tǒng)軟件設(shè)計。最后給出了模塊樣機(jī)的實驗波形，驗證了理論分析的正確性。
1 引言
近年來，LLC諧振變換器由于其簡單、高效、軟開關(guān)等特點得到廣泛關(guān)注和研究。與傳統(tǒng)諧振變換器相比，LLC諧振變換器兼?zhèn)淞舜?lián)諧振變換器和并聯(lián)諧振變換器的優(yōu)點，其輸出調(diào)節(jié)范圍寬，開關(guān)損耗小，能在全負(fù)載范圍內(nèi)實現(xiàn)ZVS開通。文獻(xiàn)主要討論了LLC諧振變換器的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)、工作性能和基波建模分析。
對于LLC諧振變換器，變頻控制是主要的控制方法。通過調(diào)節(jié)開關(guān)管的工作頻率，改變變換器的增益特性，從而在寬輸入電壓范圍內(nèi)滿足增益要求。目前，對LLC諧振變換器的研究多采用模擬控制，但其存在一些固有缺點，與模擬控制相比，數(shù)字控制可以簡化硬件電路，消除因離散元件造成的不穩(wěn)定和電磁干擾，具有設(shè)計周期短、控制精度和靈活性高等特點。
鑒于LLC諧振變換器優(yōu)越的性能和目前模擬控制的局限性，此處將數(shù)字控制和軟開關(guān)技術(shù)相結(jié)合，利用TMS28027系列芯片完成電源的控制策略，對LLC諧振變換器進(jìn)行數(shù)字控制研究。最后通過實驗驗證了理論分析的正確性和有效性。
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2 LLC諧振變換器
圖1示出LLC諧振變換器結(jié)構(gòu)。兩個功率MOSFET VQ1和VQ2構(gòu)成半橋結(jié)構(gòu)，其驅(qū)動信號均為占空比為0．5的PWM波，構(gòu)成了互補(bǔ)信號。該變換器的研究目標(biāo)是在330 V～390 V寬輸入范圍的電壓下，維持輸出電壓恒定為48 V，額定功率為150 W，并且滿載運(yùn)行時，工作效率在94％以上。
VDoss1，Coss1和VDoss2，Coss2分別為VQ1和VQ2的體二極管和寄生電容。整流二極管VD1和VD2組成一個中心抽頭的全波整流電路，Co為濾波電容。LLC諧振變換器有兩個諧振頻率，一個是Lr和Cr參與諧振的頻率，另一個是Lr，Cr和Lm參與諧振的頻率。兩個諧振頻率分別為：
根據(jù)基波分析法，圖1中開關(guān)網(wǎng)絡(luò)的輸出和次級整流部分可分別近似等效為一個正弦交流輸入電壓源和一個輸出電阻，將一個非線性系統(tǒng)簡化為一個線性電路。通過Mathcad擬合出變換器輸入，輸出的增益和歸一化頻率的關(guān)系曲線，如圖2所示。
可見，在相同歸一化頻率點對應(yīng)不同的負(fù)載點，即當(dāng)保持變換器的輸入、輸出電壓不變時，隨著負(fù)載變化，變換器的增益曲線相應(yīng)改變，負(fù)載越重，即Q值越大，變換器工作頻率也越大。此設(shè)計通過改變開關(guān)管的工作頻率，維持輸出電壓恒定。LLC諧振變換器的直流特性可以被分為ZVS區(qū)域和ZCS區(qū)域，一般變換器避免設(shè)計在ZCS區(qū)域。其中ZVS區(qū)域又可被分為兩部分：區(qū)域1和區(qū)域2，當(dāng)運(yùn)行在區(qū)域2時，變換器類似于普通串聯(lián)諧振變換器。因此設(shè)計時使變換器工作在諧振頻率點fs偏左一點，以實現(xiàn)全負(fù)載范圍的ZVS，并保證較高的效率。對于諧振變換器，一個完整的開關(guān)周期由一系列子區(qū)間和對應(yīng)不同組合的運(yùn)行模態(tài)。根據(jù)LLC諧振變換器開關(guān)管和二極管的導(dǎo)通和關(guān)斷，每一個開關(guān)周期的工作過程被分為8個子區(qū)間，每個子區(qū)間對應(yīng)一個等效電路。通過分析時域等效電路，得到每個開關(guān)周期的具體工作波形，圖3示出LLC諧振變換器運(yùn)行在區(qū)域1，即滿足fm<f<fs工作頻率范圍時的工作波形。
[t0～t2]階段，VQ1導(dǎo)通，諧振電流iLr開始以正弦形式增加，iLr大于勵磁電流iLm。根據(jù)變壓器極性，次級二極管VD1導(dǎo)通。變壓器被輸出電壓箝位，故勵磁電感Lm恒壓充電，變換器傳輸能量到次級。t1時刻iLm過零點，方向由負(fù)變?yōu)檎?br/>[t2～t3]階段，在t2時刻，iLr=iLm，此后Lm參與諧振，LLC諧振槽開始工作，輸出被變壓器隔離，二極管自然關(guān)斷。
[t3～t4]階段，VQ1和VQ2關(guān)斷，為死區(qū)時間。VQ1的結(jié)電容充電，VQ2的結(jié)電容放電，從而幫助VQ2實現(xiàn)ZVS開通。后4個工作階段與前4個階段類似，這里不再詳述。
3 數(shù)字控制方案設(shè)計
基于數(shù)字控制的LLC諧振變換器的總體硬件結(jié)構(gòu)如圖4所示。LLC主電路是其核心部分，完成能量轉(zhuǎn)換過程：DSP控制單元也是系統(tǒng)的重要部分，主要負(fù)責(zé)開關(guān)管PWM驅(qū)動信號生成，通過采樣電壓電流等信號完成對整個系統(tǒng)的控制和保護(hù)。
3．1 數(shù)字PWM的產(chǎn)生
此處設(shè)計選用TMS28027作為控制芯片，其內(nèi)部具有ePWM模塊，用于產(chǎn)生設(shè)計中開關(guān)管的驅(qū)動信號。定時器按照給定周期值循環(huán)計數(shù)，比較值存儲在比較寄存器中，一直與計數(shù)器中的值進(jìn)行比較。當(dāng)比較結(jié)果相等時，PWM輸出產(chǎn)生跳變。每個計數(shù)周期產(chǎn)生兩次比較匹配，分別在前半周期的遞增計數(shù)期間和后半周期的遞減計數(shù)期間。由于ePWM模塊具有映射寄存器，因此在計數(shù)周期的任一時刻都可以裝載新值，改變PWM的周期和脈寬，從而實現(xiàn)變頻控制。
3．2 PI控制的數(shù)字實現(xiàn)
PI控制是最早發(fā)展的控制策略之一，其概念清晰，算法容易實現(xiàn)，魯棒性強(qiáng)，是工程控制中應(yīng)用最廣泛的控制器。這里采用PI算法，將其數(shù)字化實現(xiàn)，進(jìn)行系統(tǒng)的閉環(huán)控制和調(diào)節(jié)。
PI控制系統(tǒng)的輸出信號u(t)同時成比例地反映輸入信號e(t)及其積分，即：
由于數(shù)字信號處理僅能根據(jù)采樣時刻的偏差值來計算控制量，故為了實現(xiàn)數(shù)字控制，必須以采樣周期T對上式進(jìn)行離散化，對其進(jìn)行z變換，得：
Gc(z)=U(z)／E(z)=Kp+Ki／(1-1／z) (4)
寫成差分方程為：
u(n)=u(n-1)+Kp[e(n)-e(n-1)]+Kie(n) (5)
式中：u(n)為第n次采樣的PI控制器輸出；e(n)為第n次采樣的誤差信號，即LLC諧振變換器的電壓輸出值和電壓給定值的偏差量；Ki為積分系數(shù)。
由于普通PI調(diào)節(jié)容易出現(xiàn)積分飽和現(xiàn)象，故此處設(shè)計中，采用改進(jìn)式PI算法。其基本思想是遇限停止積分，當(dāng)控制量達(dá)到飽和后，便不再進(jìn)行增大積分項的積累，而僅積累削弱積分項。具體設(shè)計方法為，在計算u(n)前，先判斷上一拍的PI輸出量u(n-1)是否達(dá)到最大值，若u(n-1)>Ucmax，則僅積累負(fù)偏差；若u(n-1)<Ucmin，則僅積累正偏差。Ucmax和Ucmin分別為系統(tǒng)的最高工作頻率和最低工作頻率時的定時器設(shè)定值。
系統(tǒng)的軟件部分主要由主程序和中斷響應(yīng)子程序組成，流程圖如圖5所示。主程序初始化后，便一直循環(huán)等待中斷．中斷過程主要調(diào)用PI子程序完成控制量的計算和輸出量的更新。
4 實驗結(jié)果
為驗證理論分析及方案的正確性，進(jìn)行了實驗。實驗電路主要參數(shù)如下：輸入直流電壓范圍為330～390 V，輸出直流電壓恒定為48 V，輸出額定功率為150 W。初級開關(guān)管VQ1和VQ2選用IPP60R190C6，驅(qū)動芯片選用FAN3224T，次級整流管VD1和VD2選用MBR20H150CTG，變壓器匝比為24：6：7。諧振頻率為130 kHz，勵磁電感為789μH，諧振電感為112μH，諧振電容為15 nF。圖6分別給出了諧振變換器在滿載時的開關(guān)管驅(qū)動和不同輸入電壓下的諧振電流波形。圖7為330～390 V輸入電壓下，LLC諧振變換器的效率曲線。由圖6中開關(guān)管驅(qū)動波形可見，上管和下管實現(xiàn)ZVS開通。在不同輸入電壓下，開關(guān)管分別對應(yīng)不同的工作頻率。當(dāng)輸入電壓為330 V時，開關(guān)管工作頻率小于諧振頻率，此時iLr的工作波形與文中理論分析的波形一致．有兩個諧振過程：當(dāng)輸入電壓為390 V時，開關(guān)管工作在諧振頻率點，在整個開關(guān)周期，變換器都在傳輸能量。由圖7可見，在輸入電壓范圍內(nèi)，變換器的效率滿足要求，都達(dá)到了94％以上。實驗波形和理論分析一致。
5 結(jié)論
從頻域和時域的角度詳細(xì)分析了LLC諧振變換器的運(yùn)行模態(tài)，給出了數(shù)字控制方案，將數(shù)字控制的靈活性、抗干擾能力和LLC諧振變換器的軟開關(guān)特性結(jié)合起來，充分發(fā)揮各自優(yōu)勢。研制的樣機(jī)具有高性能，低成本的優(yōu)點．非常適合作為小功率驅(qū)動電源。