一種基于數(shù)字控制的諧振變換器設(shè)計(jì)

摘要：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(shí)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(hào)處理器(DSP)作為控制單元，設(shè)計(jì)了基于DSP的LLC諧振變換器，并通過分析給出了實(shí)現(xiàn)數(shù)字PI控制的具體算法和系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)。最后給出了模塊樣機(jī)的實(shí)驗(yàn)波形，驗(yàn)證了理論分析的正確性。
關(guān)鍵詞：變換器；諧振；數(shù)字信號(hào)處理器

1 引言
    近年來，LLC諧振變換器由于其簡(jiǎn)單、高效、軟開關(guān)等特點(diǎn)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(diǎn)，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(shí)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(duì)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(duì)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(diǎn)，與模擬控制相比，數(shù)字控制可以簡(jiǎn)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(jì)周期短、控制精度和靈活性高等特點(diǎn)。
    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(duì)LLC諧振變換器進(jìn)行數(shù)字控制研究。最后通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了理論分析的正確性和有效性。

2 LLC諧振變換器
    圖1示出LLC諧振變換器結(jié)構(gòu)。兩個(gè)功率MOSFET VQ1和VQ2構(gòu)成半橋結(jié)構(gòu)，其驅(qū)動(dòng)信號(hào)均為占空比為0．5的PWM波，構(gòu)成了互補(bǔ)信號(hào)。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(shí)，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(gè)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(gè)諧振頻率，一個(gè)是Lr和Cr參與諧振的頻率，另一個(gè)是Lr，Cr和Lm參與諧振的頻率。兩個(gè)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(jí)整流部分可分別近似等效為一個(gè)正弦交流輸入電壓源和一個(gè)輸出電阻，將一個(gè)非線性系統(tǒng)簡(jiǎn)化為一個(gè)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(diǎn)對(duì)應(yīng)不同的負(fù)載點(diǎn)，即當(dāng)保持變換器的輸入、輸出電壓不變時(shí)，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(jì)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(jì)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(shí)，變換器類似于普通串聯(lián)諧振變換器。因此設(shè)計(jì)時(shí)使變換器工作在諧振頻率點(diǎn)fs偏左一點(diǎn)，以實(shí)現(xiàn)全負(fù)載范圍的ZVS，并保證較高的效率。對(duì)于諧振變換器，一個(gè)完整的開關(guān)周期由一系列子區(qū)間和對(duì)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(gè)開關(guān)周期的工作過程被分為8個(gè)子區(qū)間，每個(gè)子區(qū)間對(duì)應(yīng)一個(gè)等效電路。通過分析時(shí)域等效電路，得到每個(gè)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(shí)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(lì)磁電流iLm。根據(jù)變壓器極性，次級(jí)二極管VD1導(dǎo)通。變壓器被輸出電壓箝位，故勵(lì)磁電感Lm恒壓充電，變換器傳輸能量到次級(jí)。t1時(shí)刻iLm過零點(diǎn)，方向由負(fù)變?yōu)檎?br />     [t2～t3]階段，在t2時(shí)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(shí)間。VQ1的結(jié)電容充電，VQ2的結(jié)電容放電，從而幫助VQ2實(shí)現(xiàn)ZVS開通。后4個(gè)工作階段與前4個(gè)階段類似，這里不再詳述。

3 數(shù)字控制方案設(shè)計(jì)
    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(dòng)信號(hào)生成，通過采樣電壓電流等信號(hào)完成對(duì)整個(gè)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(jì)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(jì)中開關(guān)管的驅(qū)動(dòng)信號(hào)。定時(shí)器按照給定周期值循環(huán)計(jì)數(shù)，比較值存儲(chǔ)在比較寄存器中，一直與計(jì)數(shù)器中的值進(jìn)行比較。當(dāng)比較結(jié)果相等時(shí)，PWM輸出產(chǎn)生跳變。每個(gè)計(jì)數(shù)周期產(chǎn)生兩次比較匹配，分別在前半周期的遞增計(jì)數(shù)期間和后半周期的遞減計(jì)數(shù)期間。由于ePWM模塊具有映射寄存器，因此在計(jì)數(shù)周期的任一時(shí)刻都可以裝載新值，改變PWM的周期和脈寬，從而實(shí)現(xiàn)變頻控制。
3．2 PI控制的數(shù)字實(shí)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(shí)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(shí)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(hào)u(t)同時(shí)成比例地反映輸入信號(hào)e(t)及其積分，即：
   
    由于數(shù)字信號(hào)處理僅能根據(jù)采樣時(shí)刻的偏差值來計(jì)算控制量，故為了實(shí)現(xiàn)數(shù)字控制，必須以采樣周期T對(duì)上式進(jìn)行離散化，對(duì)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(hào)，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(jì)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(xiàng)的積累，而僅積累削弱積分項(xiàng)。具體設(shè)計(jì)方法為，在計(jì)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(shí)的定時(shí)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(jì)算和輸出量的更新。

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果
    為驗(yàn)證理論分析及方案的正確性，進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)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(jí)開關(guān)管VQ1和VQ2選用IPP60R190C6，驅(qū)動(dòng)芯片選用FAN3224T，次級(jí)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(lì)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(shí)的開關(guān)管驅(qū)動(dòng)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(dòng)波形可見，上管和下管實(shí)現(xiàn)ZVS開通。在不同輸入電壓下，開關(guān)管分別對(duì)應(yīng)不同的工作頻率。當(dāng)輸入電壓為330 V時(shí)，開關(guān)管工作頻率小于諧振頻率，此時(shí)iLr的工作波形與文中理論分析的波形一致．有兩個(gè)諧振過程：當(dāng)輸入電壓為390 V時(shí)，開關(guān)管工作在諧振頻率點(diǎn)，在整個(gè)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(shí)驗(yàn)波形和理論分析一致。

5 結(jié)論
    從頻域和時(shí)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(shì)。研制的樣機(jī)具有高性能，低成本的優(yōu)點(diǎn)．非常適合作為小功率驅(qū)動(dòng)電源。