楊博等

摘 要：設(shè)計(jì)了輸出電壓為58.8V，功率為900W的采用半橋LLC諧振拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的DC/DC變換器，滿足對(duì)效率和輸出電壓紋波的要求?？刂葡到y(tǒng)以STM32F051為核心，采用數(shù)字化的控制方式對(duì)諧振變換器進(jìn)行控制，并通過(guò)Saber仿真軟件對(duì)變換器進(jìn)行了仿真分析。

關(guān)鍵詞：LLC；STM32F051；Saber仿真

引言

隨著電力電子技術(shù)的快速發(fā)展，DC/DC變換器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)變得越來(lái)越多，要選擇一種合適的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)要從性能、成本等多方面綜合考慮。其中LLC諧振變換器便是一種理想的選擇，它利用電路諧振時(shí)電壓電流的過(guò)零狀態(tài)實(shí)現(xiàn)開(kāi)關(guān)管的軟開(kāi)關(guān)，減小了開(kāi)關(guān)損耗，提高了變換器的效率。

1 半橋LLC諧振變換器工作原理

半橋LLC諧振變換器的開(kāi)關(guān)網(wǎng)絡(luò)是由功率開(kāi)關(guān)管組成的，它們被互補(bǔ)的占空比為50%的驅(qū)動(dòng)信號(hào)所驅(qū)動(dòng)，其作用是把400V的穩(wěn)定直流電逆變成為交流電。LLC諧振網(wǎng)絡(luò)是由諧振電感、諧振電容以及變壓器的勵(lì)磁電感共同組成的。由于串聯(lián)在電路中，諧振電容有著隔直通交的功能。在輸出端，四個(gè)二極管組成了全橋整流網(wǎng)絡(luò)，整流后的直流電壓經(jīng)輸出濾波電容濾波后給負(fù)載供電。根據(jù)勵(lì)磁電感是否參與諧振，諧振頻率分為兩種情況，分別為：

因此，可以將LLC諧振變換器的工作頻率fs劃分為三個(gè)工作區(qū)間：fs>fr、fs=fr和fm

第一階段[t0～t1]：在t0時(shí)刻，開(kāi)關(guān)管Q2關(guān)斷，進(jìn)入到死區(qū)時(shí)間，諧振電流和勵(lì)磁電流均為負(fù)值并且諧振電流小于勵(lì)磁電流，多出來(lái)的部分輸送給副邊。這個(gè)階段內(nèi)，只有諧振電感與諧振電容參與諧振，勵(lì)磁電感僅充當(dāng)變壓器使用，諧振電流按照正弦波的形式升高，勵(lì)磁電流呈線性增加。

第二階段[t1～t2]：t1時(shí)刻，諧振電流與勵(lì)磁電流依然為負(fù)值，并且逐漸變小，原邊電壓被箝位到nVo。t2時(shí)刻，諧振電流減小到了0，勵(lì)磁電流仍為負(fù)值。

第三階段[t2～t3]：t2時(shí)刻，Q1導(dǎo)通，變壓器原邊電流變?yōu)橹C振電流與勵(lì)磁電流之和，并且開(kāi)始變大，t3時(shí)刻達(dá)到了最大值，同時(shí)勵(lì)磁電流減小為0。

第四階段[t3～t4]：t3時(shí)刻，諧振電流為勵(lì)磁電感充電，方向由負(fù)變正，變壓器原邊電流變?yōu)橹C振電流與勵(lì)磁電流之差。t4時(shí)刻，諧振電流與勵(lì)磁電流相等，原邊電流減小為0，副邊二極管實(shí)現(xiàn)了零電流關(guān)斷。這個(gè)時(shí)間段內(nèi)，諧振電感和諧振電容參與諧振，而勵(lì)磁電感Lm依然沒(méi)有參與諧振。

第五階段[t4～t5]：這個(gè)時(shí)間段，諧振電流和勵(lì)磁電流大小相等，副邊二極管全部截止，輸出電壓此時(shí)由濾波電容提供。這時(shí)的諧振電感、諧振電容和勵(lì)磁電感全部參與了諧振。

從t5時(shí)刻開(kāi)始，諧振變換器進(jìn)入下半個(gè)周期，其工作的形式與上半周期相同，只是在方向上相反。

2 半橋LLC諧振變換器仿真分析

在Saber仿真軟件中建立了半橋LLC諧振變換器的仿真模型。輸入電壓為400V，輸出電壓為58.8V，輸出功率為900W，諧振頻率為100kHz。分析圖2（a）可知，輸出電壓經(jīng)過(guò)短時(shí)間的上下波動(dòng)后，能夠基本穩(wěn)定在58.8V左右，浮動(dòng)已不明顯，電壓紋波很小。分析圖2（b）可知，開(kāi)關(guān)管導(dǎo)通時(shí)間內(nèi)，諧振電流與勵(lì)磁電流有一段時(shí)間的重合，也就是說(shuō)勵(lì)磁電感也參與了電路的諧振，原邊開(kāi)關(guān)管實(shí)現(xiàn)了ZVS開(kāi)通，同時(shí)，整流二極管實(shí)現(xiàn)了ZCS關(guān)斷。

3 控制系統(tǒng)概述

設(shè)計(jì)LLC諧振變換器時(shí)，要使輸出的電壓具備一定的調(diào)節(jié)范圍，可以適當(dāng)?shù)馗淖冚敵鲈鲆妗LC諧振變換器通常采用變頻的方法進(jìn)行控制，即PFM。PFM控制方式是通過(guò)采集輸出電壓，衡量其波動(dòng)情況，并輸送到壓控振蕩器（VCO）來(lái)達(dá)到輸出頻率變化的目的。針對(duì)半橋LLC諧振變換器的設(shè)計(jì)采用數(shù)字化的控制方式，模擬信號(hào)采集電路所輸出的模擬信號(hào)通過(guò)STM32F051的ADC模數(shù)轉(zhuǎn)換端口轉(zhuǎn)換成數(shù)字量，并在STM32F051數(shù)字芯片中對(duì)圖中虛線框內(nèi)的控制算法和PFM信號(hào)的產(chǎn)生完成處理，然后芯片直接產(chǎn)生開(kāi)關(guān)管驅(qū)動(dòng)波形，最后驅(qū)動(dòng)信號(hào)通過(guò)隔離驅(qū)動(dòng)電路直接驅(qū)動(dòng)開(kāi)關(guān)管的導(dǎo)通與關(guān)斷，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)整個(gè)半橋LLC諧振變換器的控制。

4 結(jié)束語(yǔ)

設(shè)計(jì)了900W的半橋LLC諧振變換器，進(jìn)行了仿真實(shí)驗(yàn)，并介紹了控制方案，驗(yàn)證了設(shè)計(jì)的可行性。

參考文獻(xiàn)

[1]王兆安，黃俊.電力電子技術(shù)[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2000.

[2]朱立泓.LLC諧振變換器的設(shè)計(jì)[D].浙江：浙江大學(xué)，2006.

作者簡(jiǎn)介：楊博（1989-），男，漢族，河北石家莊人，碩士研究生，研究方向：電動(dòng)車(chē)充電電源。