寬范圍輸入高效LLC諧振變換器的研究*

史永勝，李利，田衛(wèi)東，高丹陽

(陜西科技大學(xué)電氣與信息工程學(xué)院，西安710021)

寬范圍輸入高效LLC諧振變換器的研究*

史永勝*，李利，田衛(wèi)東，高丹陽

(陜西科技大學(xué)電氣與信息工程學(xué)院，西安710021)

針對(duì)LLC諧振變換器不適合寬范圍輸入，且在寬范圍輸入時(shí)整個(gè)負(fù)載范圍內(nèi)效率較低的缺陷，提出一種將可變倍頻技術(shù)和Burst控制模式相結(jié)合的方法。分析了該方法的實(shí)現(xiàn)過程，并通過一臺(tái)300W的樣機(jī)驗(yàn)證了其可行性。測(cè)試數(shù)據(jù)表明，該變換器可實(shí)現(xiàn)100 V～400 V的寬范圍輸入;在此輸入下，當(dāng)20%以上負(fù)載時(shí)效率可達(dá)到94.8%～96.5%，當(dāng)5%～20%負(fù)載時(shí)效率能達(dá)到93.5%以上，當(dāng)小于5%負(fù)載時(shí)效率能達(dá)到87.8%以上。

LLC諧振變換器;寬輸入電壓范圍;高效率;可變倍頻技術(shù);Burst模式

近年來，能源危機(jī)日益嚴(yán)重，越來越多的學(xué)者已開始關(guān)注光伏和燃料電池等新能源技術(shù)［1-4］。但新能源發(fā)電單元受氣候條件和天氣的影響大，輸出電能不穩(wěn)定、不連續(xù)，輸出電壓變化范圍較寬，因此需要一種在寬范圍輸入下仍能高效工作的DC/DC變換器。

LLC諧振變換器能實(shí)現(xiàn)高效率、高功率密度和低成本的功率變換［5］，被作為本文的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)進(jìn)行了分析和研究。為適應(yīng)寬范圍輸入高效化的應(yīng)用，國內(nèi)外學(xué)者對(duì)LLC變換器的研究集中在新型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和控制方法兩方面［6-10］。文獻(xiàn)［6］提出了一種串聯(lián)雙變壓器的LLC變換器，在保持高增益范圍的同時(shí)減小了勵(lì)磁電流;文獻(xiàn)［7］提出了LLC諧振變換器衍生拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，并采用定頻控制方法;文獻(xiàn)［8］提出了一種混合式LLC電路諧振與同步整流數(shù)字式控制方式;文獻(xiàn)［9］提出一種新穎的混合控制策略，結(jié)合了定頻控制和變頻控制的優(yōu)點(diǎn);文獻(xiàn)［10］提出了一種用兩個(gè)諧振槽回路和輔助開關(guān)的新拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。目前對(duì)LLC變換器寬范圍輸入高效化的研究中，最大只能實(shí)現(xiàn)高低輸入電壓為2∶1的比例，20%以上負(fù)載時(shí)效率還相對(duì)較低，而輕載時(shí)效率更低，目前的電源也常處于輕載狀態(tài)，因此對(duì)寬范圍輸入高效化的研究具有重要意義。

本文詳細(xì)分析了將可變倍頻技術(shù)和Burst模式相結(jié)合方法的工作原理，并設(shè)計(jì)了一臺(tái)100 V～400 V輸入、12 V/25 A輸出的樣機(jī)，驗(yàn)證了該方案的正確性。

1 工作原理

圖1是本文所研究的寬范圍輸入高效LLC諧振變換器硬件結(jié)構(gòu)圖，采用了雙LLC諧振回路［11］。

主電路中的諧振回路、輸出整流回路與普通LLC諧振變換器相同，只是逆變部分不同，由4個(gè)開關(guān)管組成疊橋的形式，開關(guān)管1與2、開關(guān)管3與4的驅(qū)動(dòng)信號(hào)分別對(duì)應(yīng)互補(bǔ)。當(dāng)輸入電壓為100 V～200 V時(shí)，利用可變倍頻技術(shù)及LLC諧振變換器的效率優(yōu)化特性，將S1和S3的占空比分別設(shè)置為0.5、0.5，工作方式和普通半橋LLC電路相同;當(dāng)輸入電壓為200 V～400 V時(shí)，為了減小功率損耗和電流應(yīng)力，利用可變倍頻技術(shù)，將S1和S3的占空比分別設(shè)置為0.25、0.75，輸入變?yōu)榘腚妷?，開關(guān)頻率減半，同時(shí)減小開關(guān)管電壓應(yīng)力，提高系統(tǒng)穩(wěn)定性。

控制系統(tǒng)采用電壓電流雙環(huán)控制［12-13］，輕載時(shí)工作在Burst控制模式。經(jīng)采樣電路及A/D轉(zhuǎn)換器將采樣的信號(hào)送入DSP28335，INA1、INA2、INA3分別對(duì)其采樣，DSP的ePWM1A、ePWM1B、ePWM2A、ePWM2B將輸出在一定電壓范圍內(nèi)的占空比和死區(qū)固定的驅(qū)動(dòng)信號(hào)，通過驅(qū)動(dòng)電路來驅(qū)動(dòng)主功率開關(guān)管S1、S2、S3、S4來穩(wěn)定輸出。

圖1 寬范圍輸入高效LLC諧振變換器結(jié)構(gòu)圖

2 系統(tǒng)分析與設(shè)計(jì)

2.1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)策略

2.1.1 寬范圍輸入的實(shí)現(xiàn)

本文采用可變倍頻技術(shù)來實(shí)現(xiàn)寬范圍輸入而不影響其效率，該技術(shù)可使變換器的占空比和開關(guān)頻率隨著輸入電壓的改變而改變，能在不同的操作環(huán)境下有效設(shè)置兩個(gè)獨(dú)立的增益［14］，縮小諧振變換器逆變部分的有效操作范圍，達(dá)到寬范圍輸入。

該變換器的逆變部分的電路如圖2所示，由圖可得:

圖2 諧振變換器逆變部分電路圖

當(dāng)輸入電壓為100 V～200 V時(shí)，通過DSP數(shù)字控制，4個(gè)開關(guān)管的開關(guān)狀態(tài)如表1所示，諧振回路輸入電壓幅值如圖3所示。

表1 模態(tài)1開關(guān)狀態(tài)

圖3 模態(tài)1對(duì)應(yīng)電壓幅值圖

當(dāng)輸入電壓為200 V～400 V時(shí)，通過DSP數(shù)字控制，4個(gè)開關(guān)管的開關(guān)狀態(tài)如表2所示，諧振回路輸入電壓幅值如圖4所示。

表2 模態(tài)2開關(guān)狀態(tài)

圖4 模態(tài)2對(duì)應(yīng)電壓幅值圖

由模態(tài)1可知為了提高LLC諧振變換器的效率優(yōu)化特性，將S1和S3的占空比D1和D2都設(shè)置為0.5。在模態(tài)2時(shí)D1和D2分別設(shè)置為0.25、0.75，此狀態(tài)下的輸出Vinv頻率加倍而幅值減半，可降低高壓下開關(guān)頻率過高引起的危害，縮小諧振回路的輸入電壓有效工作范圍，實(shí)現(xiàn)寬范圍輸入。

2.1.2 Burst控制模式的實(shí)現(xiàn)

圖5是Burst模式的工作原理圖，圖5(a)和5(b)分別對(duì)應(yīng)可變倍頻技術(shù)模態(tài)1和模態(tài)2的Burst控制模式波形，其中Tburst是變換器Burst控制模式的工作周期，Ton是4個(gè)主功率晶體管的導(dǎo)通時(shí)間，Toff是晶體管的關(guān)斷時(shí)間。

當(dāng)檢測(cè)到輸出端的電流在額定電流的20%以下時(shí)，主程序進(jìn)入Burst工作模式，即變換器進(jìn)入間歇式工作狀態(tài)。隨著負(fù)載的變化，當(dāng)占空比上升到開關(guān)管導(dǎo)通極限值時(shí)，開關(guān)晶體管將進(jìn)入Ton導(dǎo)通模式;當(dāng)占空比下降到開關(guān)管關(guān)斷極限值時(shí)，開關(guān)晶體管進(jìn)入Toff關(guān)斷模式，輸出電壓將由輸出電容來提供，直到占空比再次上升到極限值則進(jìn)入下一個(gè)Burst模式。由于開關(guān)管有一段時(shí)間處于關(guān)閉狀態(tài)，即將一些無效的周期隔開，隨著負(fù)載的減小，會(huì)存在更長的無效周期，以此來減小開關(guān)管的平均開關(guān)頻率和開關(guān)周期次數(shù)，降低了開關(guān)管的通態(tài)損耗及變壓器的磁芯損耗，提高了變換器的效率。

圖5 Burst模式工作原理圖

2.2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.2.1 硬件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)如圖1所示，主電路采用4個(gè)開關(guān)管組成疊橋形式的LLC諧振變換器，控制電路采用雙閉環(huán)控制。為使變換器能夠?qū)崿F(xiàn)寬范圍輸入，本文采用可變倍頻技術(shù);為使輸入電壓在寬范圍變化時(shí)，負(fù)載如何變化都不影響其高效化，采用Burst控制方式。

本文采用的雙閉環(huán)控制結(jié)構(gòu)框圖如圖6所示。電壓采樣值UO與電壓基準(zhǔn)值Uref比較生成誤差電壓Uerr，經(jīng)調(diào)節(jié)器GV形成電壓外環(huán)控制，變壓器初級(jí)側(cè)電流Ip與基準(zhǔn)值Iref比較，經(jīng)調(diào)節(jié)器Gc形成電流內(nèi)環(huán)，電流內(nèi)環(huán)輸出有效占空比信號(hào)，此占空比信號(hào)可由軟件產(chǎn)生可實(shí)現(xiàn)寬范圍輸入的PWM信號(hào)［15］。

圖6 雙閉環(huán)控制結(jié)構(gòu)框圖

本文采用了增量PID控制算法［16］，數(shù)字控制器輸出的是相鄰兩個(gè)采樣時(shí)刻所得的位置值之差:

本文將采樣頻率調(diào)到極限值，用極點(diǎn)配置法整定PID的系數(shù)，并通過Saber仿真整定的參數(shù)為: Kp=1.57，Ki=135 74，Kd=0.000 173 8。

本文采用的增量式控制減小了系統(tǒng)累計(jì)誤差，通過Kp、Ki、Kd、偏差初值和采樣值得到增量Δu(k)，再用軟件對(duì)此增量進(jìn)行控制，以此來調(diào)用占空比子程序，產(chǎn)生相應(yīng)占空比信號(hào)，完成對(duì)變換器的設(shè)計(jì)。

2.2.2 軟件設(shè)計(jì)

本文的軟件部分主要由主程序、PID調(diào)節(jié)子程序和中斷程序組成，它們的程序流程圖如圖7所示。

主程序主要是完成系統(tǒng)初始化工作并進(jìn)入一個(gè)循環(huán)，判斷開關(guān)機(jī)，處理一般性故障及等待中斷發(fā)生。中斷程序主要是讀取且保存采樣的結(jié)果，根據(jù)負(fù)載情況調(diào)用不同控制方式，并用PID算法計(jì)算PWM輸出信號(hào)，進(jìn)行調(diào)節(jié)輸出。

本設(shè)計(jì)當(dāng)電路工作在輕載時(shí)，將進(jìn)入Burst控制模式，隔斷無效開關(guān)周期，減小開關(guān)頻率，降低開關(guān)損耗，提高變換器的效率。

圖7 程序流程圖

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

本文為了驗(yàn)證上述理論分析的合理性，通過Saber仿真軟件首先對(duì)電路參數(shù)進(jìn)行了仿真，仿真波形如圖8所示;然后研制了一臺(tái)300 W的樣機(jī)，驗(yàn)證了該變換器在100 V～400 V輸入時(shí)能夠穩(wěn)定工作且具有較高效率，該樣機(jī)的性能指標(biāo)如下:

輸入電壓:100 V～400 V

輸出電壓:12 V

輸出電流:25 A

諧振頻率:100 kHz

變壓器變比:55∶3

諧振電感:Lr=25μH

諧振電容:Cr=103 nF

勵(lì)磁電感:Lm=75μH

死區(qū)時(shí)間:tdead=300 ns

主功率開關(guān)管采用STP12NM50(550 V，12 A)，驅(qū)動(dòng)芯片采用UCC27424DGN。

圖8(a)、圖8(b)分別為模態(tài)1和模態(tài)2的Saber仿真波形，由圖可知此諧振變換器能實(shí)現(xiàn)ZVS，且在寬范圍輸入和輕載情況下iLr和iLm之差較穩(wěn)定，而模態(tài)1的iLr和iLm之差比模態(tài)2的小，即模態(tài)1原邊向副邊穩(wěn)定傳輸?shù)哪芰勘饶B(tài)2少，兩個(gè)模態(tài)下輸出電壓基本可達(dá)到12 V，仿真電路正常工作，說明了參數(shù)設(shè)計(jì)較合理，能夠?qū)崿F(xiàn)諧振和軟開關(guān)。

圖8 寬范圍輸入LLC諧振變換器的仿真波形

圖9為S1管柵極驅(qū)動(dòng)信號(hào)與漏源極的電壓波形，由波形可知，當(dāng)MOS管關(guān)斷時(shí)，其漏源極的電壓緩慢上升;當(dāng)MOS管開通時(shí)，其漏源極的電壓已經(jīng)下降到零。證明了該變換器在寬范圍輸入時(shí)，可實(shí)現(xiàn)軟開關(guān)，減小了開關(guān)損耗，提高了變換器效率，設(shè)計(jì)合理。驗(yàn)證了可變倍頻技術(shù)能實(shí)現(xiàn)變換器的寬范圍輸入且不降低其效率。

圖9 S1零電壓開通波形

圖10是效率曲線圖。可以看出，該變換器在20%以上負(fù)載時(shí)效率可達(dá)到94.8%～96.5%，在5%～20%負(fù)載時(shí)能保持93.5%及以上的效率，在小于5%負(fù)載時(shí)效率能達(dá)到87.8%以上，因此該變換器結(jié)合可變倍頻技術(shù)和Burst模式控制方式，可實(shí)現(xiàn)在寬范圍輸入時(shí)無論負(fù)載如何變化都能實(shí)現(xiàn)高效化。

圖10 效率曲線圖

4 結(jié)論

本文對(duì)LLC諧振變換器實(shí)現(xiàn)寬范圍輸入，且在寬范圍輸入時(shí)全負(fù)載范圍內(nèi)的效率問題進(jìn)行了研究。采用可變倍頻技術(shù)，縮小了變換器的有效工作范圍來實(shí)現(xiàn)寬范圍輸入，且在20%以上負(fù)載時(shí)效率較高;采用Burst控制方式，使變換器工作在輕載時(shí)，開關(guān)頻率和次數(shù)都減小，降低開斷損耗，提高了效率。實(shí)驗(yàn)表明，該變換器可滿足輸入高低電壓比為4∶1的寬范圍輸入，在全負(fù)載范圍內(nèi)可實(shí)現(xiàn)ZVS且效率較高，驗(yàn)證了理論分析的正確性，該結(jié)構(gòu)在新能源發(fā)電方面具有較好的應(yīng)用前景。

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史永勝(1964-)男，漢族，陜西西安人，陜西科技大學(xué)電氣與信息工程學(xué)院，博士，教授，主要研究方向?yàn)樘胤N開關(guān)電源與新型電源技術(shù)研究，shiys@ sust.edu.cn;

李利(1989-)女，漢族，山西晉城人，陜西科技大學(xué)電氣與信息工程學(xué)院，在讀碩士研究生，主要研究方向?yàn)殡娏﹄娮优c電力傳動(dòng)，928501927@qq.com。

Research of LLC Resonant Converter w ith W ide Range Input and High Efficiency*

SHIYongsheng*，LILi，TIANWeidong，GAO Danyang

(College of Electrical and Information Engineering，Shaanxi University of Science and Technology，Xi’an 710021，China)

To solve the disadvantage of the LLC resonant converter is not suitable for wide range input，and the efficiency is low in the whole load range as the wide range input.A method of combining variable frequency multiplier technique and burst-mode control strategy is proposed.The implementation processes of thismethod are analyzed，and its feasibility is verified by a 300W prototype.The test data show that the converter can achievewide input range of 100 V～400 V.Under this range，the efficiency can reach 94.8%～96.5%at the loadmore than 20% and achievemore than 93.5%at the load 5%～20%，and in of load condition less than 5%the efficiency is higher than 87.8%.

LLC resonant converter;wide input voltage range;high efficiency;variable frequency multiplier technique; burst-mode

C:1290B

10.3969/j.issn.1005－9490.2017.01.048

TM 461

:A

:1005－9490(2017)01－0256－06

項(xiàng)目來源:國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(59493300);教育部博士點(diǎn)基金項(xiàng)目(9800462);陜西省工業(yè)科技攻關(guān)項(xiàng)目(2015GY173);西安市產(chǎn)學(xué)研協(xié)同創(chuàng)新計(jì)劃項(xiàng)目(CXY1513-5)

2016-01-26修改日期:2016-02-25