基于移相变频控制的全桥型LLC谐振DC-DC变换器

申宏伟，张昊东，万志华，曹 帅

（北京航天发射技术研究所，北京 100076）

0 引 言

基于LLC谐振拓扑的DC-DC变换器具有效率高、功率密度高和电磁干扰小等优点，在通信电源、锂电池充电器、PC电源等领域得到了较为广泛的应用[1-3]。然而，由于其具有增益-频率敏感性，因此不适用于宽输入或者宽输出电压范围的场合。针对这个问题，可以从硬件和软件两方面考虑。从硬件上考虑，可以通过在基本的LLC谐振拓扑的基础上增加辅助电路或采用串并联等组合形式，生成衍生变形拓扑，但是这样会增加硬件的复杂度，使可靠性有所降低，同时产品的硬件成本也不可避免地有所增长。而从软件上考虑，可以单纯通过优化控制算法，从而提高采用LLC谐振拓扑的DC-DC变换器在宽电压范围应用场合时的性能和适应性，这类方法不增加硬件复杂度和成本[4-6]。本文依据第二种解决思路，提出一种基于移相-变频协同控制的全桥型LLC谐振DC-DC变换器，实现了在宽电压范围内的性能优化。

1 系统组成

功率主电路采用基本的四开关全桥型LLC谐振拓扑，实现DC到DC的变换，其硬件组成如图1所示。4个功率开关管Q1-Q4组成全桥开关网络，将输入直流电压Uin斩波形成高频交流PWM电压提供给谐振腔，图中D1～D4为功率开关管内部寄生的体二极管，Cds1～Cds4为开关管漏极和源极之间的结电容。Lr、Lp和Cr分别是串联的谐振电感、并联的谐振电感和谐振电容，三者组成LLC谐振腔。T为高频功率变压器，将变压器原边和变压器副边进行了电气隔离，同时对两侧电压幅值依照线圈匝比进行了比例变换。整流二极管DR1-DR4和滤波电容CO组成全桥整流滤波电路，将变压器副边输出的交流PWM电压整形，滤除交流分量，输出更加平稳规则的直流电压UO，提供给负载RLd。

2 工作原理

为了在宽电压范围内优化LLC谐振变换器的性能，需要保证：原边开关管工作在ZVS开通模式，从而消除开通损耗；副边整流二极管工作在ZCS关断模式，从而消除反向恢复损耗；使原边开关管关断时的电流尽量小，从而减小关断损耗。为了达到上述目的，需控制全桥LLC谐振变换器工作在临界导通模式，即副边整流二级管电流处于连续和断续之间的临界状态。

在临界状态下，忽略死区时间，根据四开关全桥型LLC谐振拓扑的工作原理，可将其半个周期的工作过程划分为3个主要模态，如图2所示。对每个模态分别建立数学方程，并根据模态间的转换关系和电路的对称性，确定方程的初始和结束条件。

2.1 模态1 （t0～t1阶段）

Q1和Q3开通，Q2和Q4关断，变压器副边电流从0开始增加，等效电路如图2中（a）所示。

根据电路建立方程组：

初始条件：

解得：

其中：

2.2 模态 2（t1～t2）

t1时刻Q2开通，Q1关断，进入到移相区的工作阶段，等效的电路如图2（b）所示。设移相角位θ，续流角为α，则：

模态2方程组：

初始条件：

解得：

其中：

2.3 模态3（t2～t3阶段）

t2时刻，Q3关断，Q4开通，t3时刻变压器副边电流降为0，等效电路如图2（c）所示。

图2 临界模式等效电路图

初始条件：

解得：

其中：

根据电路的对称性，终值条件为：

在Matlab中对上述方程组进行数值求解，求得开关频率与移相值的对应关系如图3所示，将得到的结果整理成两个下标一一对应的数组，写入程序中作为生成PWM信号的控制表格。

图3 开关频率与移相角的对应关系

3 控制程序设计

环路控制部分采用典型的内外双环的控制架构，如图4所示，电流环为外环，输出电流反馈值和参考电流值做差之后经过电流环PI计算，输出作为电压环参考值。电压环为内环，将电流环输出作为电压设定值，与输出电压反馈值做差之后经过电压环PI计算生成控制量，以控制量作为指针，进行查表计算，生成对应开关频率和移相值的PWM信号，从而控制全桥LLC工作，实现恒压或恒流控制。

图4 环路控制示意图

控制核心采用F28335，在定时中断中进行环路计算和PWM控制，中断程序流程图如图5所示。

图5 中断程序流程

控制器产生PWM信号的工作原理如图6所示，PWM1输出两路互补信号PWM1A和PWM1B用来驱动滞后桥臂的两个开关管。PWM2输出两路互补信号PWM2A和PWM2B，用来驱动超前桥臂的两个开关管。周期寄存器和相位寄存器启用影子寄存器功能，在PWM1的更新事件发生时，程序中写入新的周期值和移相值。在PWM2的下次更新事件发生时，PWM2的新周期值写入到影子寄存器，PWM2的周期值更新。在PWM1的下次更新事件发生时，PWM1的周期值、PWM1和PWM2之间的移相值更新。

图6 产生PWM信号的原理示意图

4 仿真验证

在电路仿真软件中搭建仿真模型，功率电路仿真模型如图7所示，驱动电路仿真模型图8所示。带移相和死区的4路PWM信号仿真结果如图9所示。LLC谐振腔电流波形和开关管漏极和源极之间的电压波形仿真结果如图10所示。

图7 功率电路仿真模型

图8 驱动电路仿真模型

图9 带移相和死区的四路PWM信号仿真结果

图10 LLC谐振腔电流波形和开关管DS电压波形仿真结果

5 实验验证

在理论分析和仿真验证的基础上，制作了一台工程实验样机，额定输入电压360 V，额定输出电压350 V，输出调压范围200～400 V，额定输出电流30 A。在额定条件下，用示波器测量4路 MOSFET的驱动信号如图11所示，测得谐振腔电流与MOSFET漏极和源极之间电压如图12所示。在目标范围内，调节输出电压，用示波器观察，全桥LLC谐振变换器始终工作在临界模式附近。样机测试结果表明，基于移相-变频协同控制的全桥型LLC谐振DC-DC变换器的实际工作状态与理论分析和仿真分析结果相符，实现了在宽电压范围内的可靠工作和性能优化。

图11 四路驱动信号测试波形

图12 功率电路测试波形

6 结 论

提出了一种基于移相-变频协同控制的全桥型LLC谐振DC-DC变换器，介绍了变换器的工作原理，硬件组成、控制程序流程和控制策略。在仿真软件中搭建了电路模型，运行仿真程序，验证了理论分析的可行性。最后，在理论分析和仿真分析的基础上，制作了工程实验样机，并进行了测试验证。样机实测的结果可以表明，基于移相和变频混合控制的全桥LLC谐振变换器能够在宽电压范围内正常稳定工作，符合设计预期。