基于FPGA+Si8235控制的LLC諧振變換器設(shè)計

潘海燕，蔣友明，張麗萍

(臺州職業(yè)技術(shù)學(xué)院自動化研究所，浙江臺州318000)

基于FPGA+Si8235控制的LLC諧振變換器設(shè)計

潘海燕*，蔣友明，張麗萍

(臺州職業(yè)技術(shù)學(xué)院自動化研究所，浙江臺州318000)

為了增加LLC諧振變換器控制靈活性，降低驅(qū)動電路的損耗，提出了基于FPGA控制和Si8235驅(qū)動的方案;分析了LLC諧振變換器的增益特性;對載波調(diào)制隔離驅(qū)動芯片Si8235的開通和關(guān)斷時間進行了測試比較，設(shè)計加速關(guān)斷的優(yōu)化驅(qū)動電路;實驗證明，LLC諧振變換器使用FPGA+Si8235組合的控制驅(qū)動策略，使電路更加簡單，能實現(xiàn)更快的驅(qū)動速度，提高控制靈活性和增加性能效率。

LLC諧振變換器;軟開關(guān);FPGA控制;Si8235驅(qū)動

隨著“能源之星”、歐盟EuP(Energy-using Products)等規(guī)范機構(gòu)對電子產(chǎn)品效能的進一步要求，如何減小損耗、發(fā)揮效率潛能，給變換器的設(shè)計帶來了新的挑戰(zhàn)。與一般軟開關(guān)變換器相比，LLC諧振變換器元件少，功率密度高，可實現(xiàn)開關(guān)管ZVS(Zero Voltage Switching)和整流管ZCS(Zero Current Switching)，具有很高的變換效率，獲得了越來越廣泛的關(guān)注［1-2］。

文獻［3-5］中所列芯片是專用的半橋LLC諧振變換器控制和驅(qū)動芯片，非常適合于通用型變換器的開發(fā)制作。其中，L6599AT控制器內(nèi)部集成了高壓浮動驅(qū)動的自舉二極管，常用于AC-DC變換器;NCP1395A內(nèi)部集成了欠壓、環(huán)路損壞等保護電路，適合于甚高開關(guān)頻率場合;UCC25700是一片適合DC-DC的具有最少引腳的LLC控制芯片。選用專用芯片控制變換器，會帶來一定的局限式，如不能根據(jù)電路分布參數(shù)要求靈活設(shè)置死區(qū)時間、不能根據(jù)電壓增益要求設(shè)計更寬或更窄的頻率范圍等;同時，由于LLC諧振變換器為了實現(xiàn)ZVS環(huán)境，不能在待機或低負載時關(guān)閉諧振腔電流，雖然這些芯片內(nèi)部都集成了適用待機模式的Burst控制電路，但在需要作一些輕負載策略調(diào)整如變模態(tài)控制［6-7］時，這些芯片會力不從心。

為了增加控制靈活性，本文對LLC諧振網(wǎng)絡(luò)特性進行了分析，根據(jù)對隔離驅(qū)動型芯片Si8235性能參數(shù)的測試，設(shè)計了FPGA控制的優(yōu)化加速關(guān)斷電路，并制作實驗樣機進行了驗證。

1 LLC工作原理分析

半橋LLC諧振變換器原理電路如圖1所示。變換器包括:前級功率因數(shù)校正(PFC)電路，母線保持電容Cin，由Q1、Q2驅(qū)動開關(guān)管的方波產(chǎn)生器，由串聯(lián)諧振電容Cr、串聯(lián)諧振電感Lr和并聯(lián)勵磁電感Lm組成的諧振網(wǎng)絡(luò)，變比為n:1:1的理想變壓器T，VD1、VD2組成的整流電路，濾波電容CO以及負載電阻RO。其中Lr可以是一個獨立元件，或者與變壓器磁集成。

圖1 半橋LLC諧振變換器

諧振網(wǎng)絡(luò)的交流電壓增益為:

電路的直流增益為:

根據(jù)交流電壓增益方程式(1)，得到不同K、Q值下的諧振網(wǎng)絡(luò)歸一化增益特性曲線，如圖2所示。

圖2 歸一化增益特性曲線

設(shè)計諧振參數(shù)后，K值固定，Q值由負載電阻決定。諧振網(wǎng)絡(luò)的增益隨著開關(guān)頻率f的變化而改變，從而獲得了不同的增益，其中最大增益和最小增益由開關(guān)最低和最大頻率決定。當(dāng)負載較重或輸入電壓較低時，電路開關(guān)頻率fr2＜f≤fr，f越低于fr，Gac越大，實現(xiàn)開關(guān)管ZVS和整流管ZCS;當(dāng)輸入電壓較高或負載較輕時，開關(guān)頻率f＞fr，只有開關(guān)管實現(xiàn)ZVS，整流管ZCS條件喪失，隨之帶來需要考慮同步整流以減少開關(guān)損耗等問題。因此，設(shè)計諧振網(wǎng)絡(luò)參數(shù)時，應(yīng)盡量在額定負載時開關(guān)頻率工作于fr。

2 驅(qū)動電路設(shè)計

為了保證LLC諧振變換器可靠工作，除了保證變壓器原、副邊的電氣隔離外，還需對控制信號和互補驅(qū)動電路進行隔離，避免高邊驅(qū)動所帶來的浮地問題。由于LLC諧振網(wǎng)絡(luò)工作開關(guān)頻率高，傳統(tǒng)的普通光耦隔離型驅(qū)動電路開關(guān)速度慢，延時長，已不適合變換器的要求。磁隔離雖然效果良好，但電路復(fù)雜，需要占用較大的電路空間，不符合功率密度要求。

Si8235芯片［8］是Silicon Laboratories公司最新的專用半橋驅(qū)動芯片，其內(nèi)部集成了兩路完全獨立的驅(qū)動電路，峰值電流可達4 A、最高頻率可達8 MHz;同時，該芯片在其前端采用專利的載波調(diào)制隔離技術(shù)，不但克服了光耦隔離的缺點，極大提高轉(zhuǎn)換速率;并且能夠提供最佳的噪音和干擾抑制，是一塊理想的驅(qū)動+隔離型集成芯片，非常適于半橋電路的驅(qū)動。Si8235電路內(nèi)部框圖如圖3(a)所示。引腳功能如下:

(1)VIA、VIB是與TTL電平兼容的邏輯輸入端。VIA或VIB高電平時相應(yīng)的輸出VOA或VOB變高。輸入/輸出通道VIA和VOA、VIB和VOB，類似于光耦+驅(qū)動的組合，但不同的是，Si8235采用射頻載波發(fā)射和接收而不是光調(diào)制隔離，這種簡單的結(jié)構(gòu)提供了一個強大的隔離通道。

(2)DISABLE為輸出使能端，當(dāng)DISABLE為高電平時，VIA、VIB輸出變低。

(3)UVLO(Undervoltage Lockout)電路用于低電壓保護，防止上電和關(guān)機時的誤操作，為了做到有效隔離，輸入側(cè)電源VDDI和輸出側(cè)電源VDDA、VDDB，必須與其相應(yīng)的地GNDI和GNDA、GNDB盡可能靠近引腳放置的去耦電容。

IR2110是早期傳統(tǒng)的半橋驅(qū)動芯片［9］，若使用FPGA控制，需要“電平轉(zhuǎn)換+高速光耦+IR2110” 3者組合;而若采用Si8235，則僅需一片即可，節(jié)省了大量的PCB空間，同時，后者的方案要比前者更節(jié)省元件成本。圖3(b)為IR2110和Si8235采用+15 V供電時驅(qū)動MOSFET IRFP460的驅(qū)動上升沿和下降沿測試對比度波形，從圖中可知，Si8235能較快上升到電源電壓，而 IR2110在上升到門電壓+10 V后緩慢上升，需要150 ns才能撤銷驅(qū)動電壓，而Si8235上升時較快到達+15 V，下降沿只須75 ns左右，上升下降時間更短，驅(qū)動能力更強，可以提高驅(qū)動效率。

圖3 Si8235芯片原理圖

設(shè)計的諧振變換器采用Si8235驅(qū)動，電路如圖4所示。來自FPGA的控制信號接入Si8235控制輸入端，若考慮引線距離較遠，可加入施密特非門74HC14。上臂驅(qū)動電源采用VD1和C1組成的自舉浮動電路，為了加速關(guān)斷功率管，采用了VT1和VT2組成的飽和導(dǎo)通型關(guān)斷電路。

圖4 Si8235驅(qū)動電路

3 實驗驗證

制作LLC諧振變換器實驗樣機，采用Xilinx公司的Spartan 3E Starter Board產(chǎn)生開關(guān)頻率控制信號，輸出經(jīng)PF871+TL431組成的反饋補償環(huán)路，送入Spartan 3E開發(fā)板，利用FPGA實現(xiàn)PI數(shù)字控制算法調(diào)節(jié)輸出頻率，實現(xiàn)輸出電壓穩(wěn)定。諧振網(wǎng)絡(luò)額定輸入電壓Vin=310 V，輸出電壓Vo=24.0 V，諧振電容Cr=33 nF，諧振電感Lr=76μH，勵磁電感Lm=512μH。測試額定負載和重負載下的各關(guān)鍵點電壓電流波形，如圖5所示。

圖5 實驗波形

當(dāng)開關(guān)頻率為fr時，Q1導(dǎo)通、Q2關(guān)斷后，諧振電流iCr按頻率fr上升，iLm因為副邊的鉗位而線性上升，iCr＞iLm，整流側(cè)VD1導(dǎo)通整流，輸出由VD1提供能量。到達諧振半周期時刻，iCr=iLm，整流側(cè)二極管VD1截止，Q1關(guān)斷。但此時Q2導(dǎo)通，諧振電流iCr按頻率fr下降，iLm線性下降，iCr＜iLm，整流側(cè)VD2導(dǎo)通整流，輸出由VD2提供能量，直至下半周期結(jié)束，進入下一周期Q1導(dǎo)通、Q2關(guān)斷。因此，負載電流io為由iVD1、iVD2交替續(xù)流、頻率為fr的電流波形，而iCr是頻率為fr的諧振正弦波。實驗表明，變換器能根據(jù)設(shè)計要求輸出穩(wěn)定電壓，并實現(xiàn)開關(guān)管的ZVS和整流管的ZCS。

4 結(jié)論

本文針對LLC變換器提出了FPGA+Si8235控制驅(qū)動策略，通過測試Si8235芯片的驅(qū)動能力，優(yōu)化開關(guān)管開通和關(guān)斷電路，保證了LLC變換器開關(guān)管ZVS和整流管ZCS軟開關(guān)條件。實驗證明，F(xiàn)PGA+Si8235控制驅(qū)動能實現(xiàn)靈活的半橋驅(qū)動開關(guān)頻率控制，有利于減小電路尺寸，提升LLC諧振變換器的驅(qū)動效率。

［1］張振銀，秦會斌，劉琦，等.基于LLC的半橋諧振變換器設(shè)計［J］.電子器件，2010(5):587-590.

［2］Fairchild Semiconductor，San Jose，CA.(2013，May).Online Seminars:Design Considerations for an LLC Resonant Converter［Online］.Available:http://www.fairchildsemi.com.cn/Assets/zSystem/documents/collateral/onlineSeminars/Design-Considerationsfor-an-LLC-Resonant-Converter-PPT.pdf.

［3］STMicroelectronics，Coppell，TX.(2013，March).L6599AT:Improved high-voltage resonant controller.［Online］.Available:http://www.st.com/st-web-ui/static/active/en/resource/technical/document/datasheet/CD00229137.pdf.

［4］ON Semiconductor，Phoenix，AZ.(2008，Sep.).NCP1395A/B:High performance resonantmode controller［Online］.Available:http:// www.onsemi.com/pub_link/Collateral/NCP1395-D.PDF.

［5］Texas Instruments，Dallas.(2008，Sep.).UCC25700:8-pin high performance resonant mode controller.［Online］.Available:http://focus.ti.com/lit/ds/symlink/ucc25600.pdf.

［6］Wang Bin，Xin Xiaoni，Stone Wu，et al.Analysis and Implementation of LLC Burst Mode for Light Load Efficiency Improvement［C］//Proc IEEE APEC，2009，58-64.

［7］FengWeiyi，F(xiàn)red C Lee，Paolo Mattavelli.Optimal Trajectory Control of Burst Mode for LLCResonant Converter［J］.IEEE Transaction on Power Electronics，2013，28(1):457-466.

［8］Silicon Laboratories，Austin，TX.(2013，May).TechnicalDocs:0. 5 AND 4.0 AMP ISODRIVERS(2.5 AND 5 KVRMS)［Online］. Available:https://www.silabs.com/SupportDocuments/TechnicalDocs/Si823x.pdf.

［9］International Rectifier，Kansas St.(Data Sheet No.PD60147 rev. U).IR2110(-1-2)(S)PbF/IR2113(-1-2)(S)PbF:High and Low Side Driver［Online］.Available:http://www.irf.com/ product-info/datasheets/data/ir2110.pdf.

Design of LLC Resonant Converter Based on FPGA+Si8235

PAN Haiyan*，JIANG Youming，ZHANG Liping
(Taizhou Vocational and Technical College，Taizhou Zhejiang 318000，China)

LLC resonant converter based on FPGA digital control and Si8235 driven is proposed to increase the flexibility and reduce the power loss of the driving circuit.Detailed analysis on gain characteristic of LLC resonant converter is presented.According to the test of the turn on and turn off time of the carrier modulation isolated chip Si8235 and making a comparison between them，an optimal driving circuit with cutting down turn-off time is designed and realized.The experiments show that LLC resonant converter combined with FPGA control and Si8235 driven strategy achieves simpler circuit，faster drive speed，and control flexibility and performance efficiency.

LLC resonant converter;Soft-switching;FPGA control;Si8235 drive

10.3969/j.issn.1005-9490.2014.01.010

TM 46 文獻標識碼:A 文章編號:1005-9490(2014)01-0038-04

2013-05-10修改日期:2013-06-11

EEACC:1290B

潘海燕(1972-)，男，漢族，浙江溫嶺人，臺州職業(yè)技術(shù)學(xué)院教師，副教授，目前主要研究方向為電源變換器的設(shè)計和應(yīng)用，panhy@msn.com;

蔣友明(1968-)，男，漢族，浙江溫嶺人，臺州職業(yè)技術(shù)學(xué)院老師，副教授，主要研究方向為電子技術(shù)應(yīng)用，jia6803@ 163.com。