基于STM32F051控制的LLC諧振變換器設計

楊博等

摘 要：設計了輸出電壓為58.8V，功率為900W的采用半橋LLC諧振拓撲結(jié)構(gòu)的DC/DC變換器，滿足對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)字化的控制方式對諧振變換器進行控制，并通過Saber仿真軟件對變換器進行了仿真分析。

關鍵詞：LLC；STM32F051；Saber仿真

引言

隨著電力電子技術(shù)的快速發(fā)展，DC/DC變換器拓撲結(jié)構(gòu)變得越來越多，要選擇一種合適的拓撲結(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，它利用電路諧振時電壓電流的過零狀態(tài)實現(xiàn)開關管的軟開關，減小了開關損耗，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諧振變換器的開關網(wǎng)絡是由功率開關管組成的，它們被互補的占空比為50%的驅(qū)動信號所驅(qū)動，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)絡是由諧振電感、諧振電容以及變壓器的勵磁電感共同組成的。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，四個二極管組成了全橋整流網(wǎng)絡，整流后的直流電壓經(jīng)輸出濾波電容濾波后給負載供電。根據(jù)勵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劃分為三個工作區(qū)間：fs>fr、fs=fr和fm

第一階段[t0～t1]：在t0時刻，開關管Q2關斷，進入到死區(qū)時間，諧振電流和勵磁電流均為負值并且諧振電流小于勵磁電流，多出來的部分輸送給副邊。這個階段內(nèi)，只有諧振電感與諧振電容參與諧振，勵磁電感僅充當變壓器使用，諧振電流按照正弦波的形式升高，勵磁電流呈線性增加。

第二階段[t1～t2]：t1時刻，諧振電流與勵磁電流依然為負值，并且逐漸變小，原邊電壓被箝位到nVo。t2時刻，諧振電流減小到了0，勵磁電流仍為負值。

第三階段[t2～t3]：t2時刻，Q1導通，變壓器原邊電流變?yōu)橹C振電流與勵磁電流之和，并且開始變大，t3時刻達到了最大值，同時勵磁電流減小為0。

第四階段[t3～t4]：t3時刻，諧振電流為勵磁電感充電，方向由負變正，變壓器原邊電流變?yōu)橹C振電流與勵磁電流之差。t4時刻，諧振電流與勵磁電流相等，原邊電流減小為0，副邊二極管實現(xiàn)了零電流關斷。這個時間段內(nèi)，諧振電感和諧振電容參與諧振，而勵磁電感Lm依然沒有參與諧振。

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

從t5時刻開始，諧振變換器進入下半個周期，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)過短時間的上下波動后，能夠基本穩(wěn)定在58.8V左右，浮動已不明顯，電壓紋波很小。分析圖2（b）可知，開關管導通時間內(nèi)，諧振電流與勵磁電流有一段時間的重合，也就是說勵磁電感也參與了電路的諧振，原邊開關管實現(xiàn)了ZVS開通，同時，整流二極管實現(xiàn)了ZCS關斷。

3 控制系統(tǒng)概述

設計LLC諧振變換器時，要使輸出的電壓具備一定的調(diào)節(jié)范圍，可以適當?shù)馗淖冚敵鲈鲆?。LLC諧振變換器通常采用變頻的方法進行控制，即PFM。PFM控制方式是通過采集輸出電壓，衡量其波動情況，并輸送到壓控振蕩器（VCO）來達到輸出頻率變化的目的。針對半橋LLC諧振變換器的設計采用數(shù)字化的控制方式，模擬信號采集電路所輸出的模擬信號通過STM32F051的ADC模數(shù)轉(zhuǎn)換端口轉(zhuǎn)換成數(shù)字量，并在STM32F051數(shù)字芯片中對圖中虛線框內(nèi)的控制算法和PFM信號的產(chǎn)生完成處理，然后芯片直接產(chǎn)生開關管驅(qū)動波形，最后驅(qū)動信號通過隔離驅(qū)動電路直接驅(qū)動開關管的導通與關斷，從而實現(xiàn)對整個半橋LLC諧振變換器的控制。

4 結(jié)束語

設計了900W的半橋LLC諧振變換器，進行了仿真實驗，并介紹了控制方案，驗證了設計的可行性。

參考文獻

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

[2]朱立泓.LLC諧振變換器的設計[D].浙江：浙江大學，2006.

作者簡介：楊博（1989-），男，漢族，河北石家莊人，碩士研究生，研究方向：電動車充電電源。