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1、 Nanjing University of Aeronautics and Astronautics The Graduate School College of Civil Aviation Research on LLC Resonant Converter Based on Digital Control A Thesis in Transportation Engineering By Tang Xiaochen Advised by Zhou jiemin Professor Submitted in Partial Fulfillment of the Requirements
2、for the Degree of Master of Engineering March, 2012 承诺书 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师指导下，独立进 行研究工作所取得的成果。尽我所知，除文中已经注明引用的内容外， 本学位论文的研究成果不包含任何他人享有著作权的内容。对本论文所 涉及的研究工作做出贡献的其他个人和集体，均已在文中以明确方式标 明。 本人授权南京航空航天大学可以有权保留送交论文的复印件，允许 论文被查阅和借阅，可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库 进行检索，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。 作者签名 : 日 期 : 摘 要 随着直流分布式电源
3、系统在通信、计算机、多电飞机、多电飞船、国际空间站等领域的广 泛应用， LLC谐振变换器逐渐成为电力电子技术研究的焦点。目前，对 LLC谐振变换器的研究 多采用模拟控制。模拟控制虽然有成熟的控制理论和分析方法，但是其存在一些固有缺点，如 电路复杂、可靠性低、灵活性差等。与模拟控制相比，数字控制可以简化硬件电路，能消除因 离散元件造成的不稳定和电磁干扰，具有设计周期短、 控制精度和灵活性高等特点。故而对 LLC 谐振变换器进行数字控制的研究十分必要。 本文首先介绍了传统谐振变换器的分类和工作原理，综合比较了三种谐振变换器的优缺点， 在此基础上引出本文的研究对象 -LLC谐振变换器。文中分别从时域
4、角度和频域角度分析了 LLC 谐振变换器的工作原理和运行性能。采用基波分析的方法建立了 LLC谐振网络的等效电路模 型，并对变换器的增益特性进行了深入的剖析，在理论分析的基础上总结出 LLC谐振变换器各 个参数对其运行性能的影响，给出了完整的 LLC谐振变换器的参数设计方法和公式，并以一个 具体的设计要求为例，进行了参数和电路的应用设计。此外，还应用等效电路法建立小信号模 型，进行变换器的控制系统设计。本文将数字控制和软开关技术结合起来，利用 TI公司的 TMS28027数字信号处理芯片来完成电源的控制，采用数字 PI算法进行系统的稳态调节，对 LLC谐振变换器进行了数字控制的研究。 最后，制
5、作了一台 150WLLC谐振变换器样机，仿真结果和实验结果均验证了理论分析的 正确性和有效性。研制的样机具有如下优点：能在全负载范围内实现软开关，效率较高；具有 升压特性，能够满足 DC-DC变换器宽电压输入的要求，可应用于分布式电源系统。 关键词： LLC谐振变换器，基波分析，小信号模型，数字控制 ， PI ABSTRACT As distributed power system widely used in areas such as communications, computers, more electric aircraft, spacecraft and the internat
6、ional space station, LLC resonant converter gradually become a focus of power electronics technology. At present, most of the research on LLC resonant converter is using the analog control. Although there is mature theory and analysis method of control in analog control, but there are some inherent
7、disadvantages, such as circuit complexity, low reliability, flexibility of poor. Compared with analog control, digital control can eliminate the instability caused by discrete components and electromagnetic interference.lt has short design cycle, high control precision and flexibility. Hence, it is
8、very necessary to have a study on digital control of the LLC resonant converter. This thesis first introduces the traditional resonant converter classification and working principle, and compares the advantages and disadvantages of three kinds of resonant converter.Then we introduces LLC resonant co
9、nverter on this basis. This paper analysis LLC resonant converter works and operation performance in time domain and frequency domain respectively. Establish equivalent circuit model of the LLC using of FHA model. This aricle analysis gain characteristics and the critical parameters on the performan
10、ce of LLC resonant converter. The process of parameters and circuit design is given according to a specific design requirement. In addition, the small-signal model is established based on the equivalent circuit. This paper combines digital control and soft-switching technology to research digital co
11、ntrol of LLC resonant converter, using TIs TMS28027 DSP chip to complete power control, and using of digital PI algorithm for steady-state regulation system. Finally, a 150W LLC resonant converter prototype is built up, simulation and experimental results are presented to verify the correctness and
12、effectiveness of theoretical analysis. The prototype has the following advantages: full range of soft switching can be realizedinherently.Thus high efficient is achieved, and with the step-up characteristic. It can easily meet the wide input voltage requirement for DC-DC converter in the distributed
13、 power systems. Key Words: LLC resonant converter, FHA, small signal model, digital control, PI II 目 录 m-# i 1.1 DC-DC变换技术的概述 . 1 U.1硬开关技术 . 1 1.1.2软开关技术 . 2 1.1.3 DC-DC变换在分布式电源中的应用 . 5 1.2数字控制电源的发展现状 . 6 1.3本文研究内容 . 7 第二章 LLC谐振变换器的时域分析 . 9 2.1谐振变换器 . 9 2.1.1 +联型谐振变换器 . 9 2.1.2并联型谐振变换器 . 10 2.1.3串并联
14、型谐振变换器 . 11 2.1.4传统谐振变换器的分析比较 . 11 2.2 LLC谐振变换器主电路结构 . 12 2.3 LLC谐振变换器工作模态分析 . 12 2.3.1工作频率等于谐振频率时的工作模态 . 13 2.3.2工作频率大于谐振频率时的工作模态 . 15 2.3.3工作频率低于谐振频率时的工作模态 . 18 2.4本章小结 . 21 第三章 LLC谐振变换器的建模和应用设计 . 22 3.1 LLC谐振变换器的建模分析 . 22 3.1.1基于基波分析的等效电路模型 . 22 3丄 2变换器增益特性分析 . 24 3丄 3原边开关管实现 ZVS的充分条件 . 26 3.2 LL
15、C谐振变换器的重要参数 . 29 3.2.1参数对变换器损耗的影响 . 29 3.2.2参数对增益特性的影响 . 32 3.3 LLC谐振变换器的参数设计 . 35 3.3.1 LLC谐振变换器的参数设计流程 35 3.3.2谐振参数设计的公式推导 . 36 3.4 LLC谐振变换器的应用设计 . 39 3.4.1 LLC谐振变换器的参数设计 . 39 3.4.2主电路元件的选型设计 . 42 3.4.3磁性元件的设计 . 43 3.5 LLC谐振变换器的小信号模型 . 45 3.5.1小信号建模方法概述 . 45 3.5.2 LLC谐振变换器的小信号模型 . 46 3.6本章小结 . 49
16、第四章 LLC谐振变换器的数字控制方案 . 50 4.1变换器的总体硬件结构 . 50 4.2变换器的外围电路设计 . 50 4.2.1控制单元简介 . 50 4.2.2驱动电路设计 . 52 4.2.3信号采样电路设计 . 53 4.3变换器的控制器设计 . 53 4.4变换器的数字化实现方案 . 55 4.4.1数字 PWM产生 . 56 4.4.2 PI调节的数字化实现 . 57 4.4.3系统控制软件流程图 . 58 4.5本章小结 . 60 第五章仿真和实验结果分析 . 61 5.1 LLC谐振变换器的仿真分析 . 61 5.2实验结果分析 . 62 5.2.1 LLC谐振变换器的样
17、机波形 . 62 5.2.2 LLC谐振变换器的效率测试 . 67 5.3 . 68 第六章结论与展望 . 69 6.1全文总结 . 69 6.2展望与建议 . 69 銷想 . 72 if . 75 在学期间的研究成果及发表的学术论文 76 图表清单 图 1.1硬开关模式下开关管的工作波形 . 1 图 1.2硬开关模式下开关管的工作轨迹 . 2 图 1.3软开关模式下开关管的工作波形 . 3 图 1.4软开关模式下开关管的工作轨迹 . 4 图 1.5分布式电源系统结构 . 5 图 2.1谐振变换器的结构框图 . 9 图 2.2串联型谐振变换器的电路结构 . 10 图 2.3并联型谐振变换器电路
18、结构图 . 10 图 2.4串并联谐振变换器电路结构图 . 11 图 2.5 LLC谐振变换器主电路结构 . 12 图 2.6 LLC谐振变换器运行谐振频率点的工作波形 . 13 图 2.7 LLC谐振变换器运行在谐振频率点时的等效电路 . 14 图 2.8 LLC谐振变换器运行在高于谐振频率点时的工作波形 . 16 图 2.9 LLC谐振变换器运行在高于谐振频率点时的等效电路 . 17 图 2.10LLC谐振变换器运行在低于谐振频率点时的工作波形 . 19 图 2.11 LLC谐振变换器运行在低于谐振频率点时的等效电路 . 20 图 3.1 LLC谐振变换网络的等效电路图 . 24 图 3.
19、2谐振变换器的交流增益特性曲线 . 25 图 3.3死区时间，电路工作状态和波形 . 27 图 3.4谐振频率点时谐振电流和励磁电流的波形 . 29 图 3.5原边电流和 乘积的关系曲线图 . 31 图 3.6二次侧归一化电流和的关系曲线 . 32 图 3.7不同 U和 Q取值下， LLC谐振变换器的增益曲线 . 34 图 3.8 和变换器峰值增益的关系 . 35 图 3.9 LLC谐振变换器的参数设计流程 . 36 图 3.10死区时间变换器的等效电路 . 37 图 3.11死区时间对原边电流和关断电流的影响 . 38 图 3.120乘积的选定 . 41 图 3.13 4和 0的曲线 . 4
20、1 图 3.14LLC谐振变换器的小信号模型框图 . 46 图 3.15 LLC谐振变换器的控制 -输出波特图 . 49 图 4.1数字控制的 LLC谐振变换器总体结构图 . 50 图 4.2TTMS320F280XDSP系列 DSP的系统功能框图 . 51 图 4.3驱动电路设计 . 53 图 4.4电压采样信号调理电路 . 53 图 4.5 LLC谐振变换器的系统控制框图 . 54 图 4_6系统的开环波特图 . 54 图 4.7 PI校正后系统的波特图 . 55 图 4.8开关管的驱动 PWM产生原理 . 57 图 4.9 PI调节子程序流程图 . 58 图 4.10系统流程图 . 59
21、 图 5.1开关频率等于工作频率的仿真波形 . 61 图 5.2开关频率小于工作频率的仿真波形 . 62 图 5.3开关频率大于工作频率的仿真波形 . 62 图 5.4 LLC谐振变换器开关管的驱动波形 . 63 图 5.5不同负载下开关管驱动波形和漏源极电压的波形 . 63 图 5.6不同输入电压下的谐振电流波形 . 65 图 5.7不同负载条件下 LLC谐振变换器的谐振电流波形 . 66 图 5.8 LLC谐振变换器的输出电压和电流波形 . 67 图 5.9不同负载点的效率测试曲线 . 67 图 5.10不同输入电压下的效率测试曲线 . 68 图 6.1两相交错并联 LLC谐振变换器原理图
22、 . 70 表 U软开关技术的发展过程 . 4 表 1.2DC-DC变换器的分类表 . 6 表 1.3 LLC谐振变换器和非对称半桥变换器的对比 . 6 注释表 英文缩写 英文全称 中文全称 AC Alternating Current 交流 AC-DC Alternating Current to Direct Current 交流 -直流变换 DC Direct Current 直流 DC-DC Direct Voltage to Direct Voltage 直流 -直流变换 DPS Distributed Power System 分布式电源系统 PWM Pulse Width Mod
23、ulator 脉览调制 PFM Pulse Frequency Modulator 频率调制 MOSFET Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor 场效应晶体管 DSP Digital Signal Processing 数字信号处理 SRC Series Resonant Converter 串联谐振变换器 PRC Parallel Resonant Converter 并联谐振变换器 SPRC Series Parallel Resonant Converter +并联谐振变换器 基本变量表 fr 谐振频率 Lr 谐振电感 Cr
24、谐振电容 Lm 励磁电感 Rac 交流等效阻抗 Mac 交流电压增益 Mdc 直流电压增益 Q 品质因数 C 输出电容 V 输出电压 Io 输出电流 vin 输入电压 Rout 变换器负载 第 一 章 绪 论 1.1 DC-DC变换技术的概述 DC-DC变换是开关电源的基本单元，其他形式的变换电路大多从 DC-DC变换电路演变而 来。故而， DC-DC变换技术是开关电源研发中的重点，也是开关电源发展的基础。 DC-DC变 换技术是发展迅速的开关电源变换技术，包括硬开关技术和软开关技术 12。目前， DC-DC变 换器在航空、航天、计算机、通信、照明、电视等领域得到了广泛应用。同时，这些应用也促
25、 进了 DC-DC变换技术的进一步发展。 1.1.1硬开关技术 传统 PWM变换器的开关管按外加脉冲控制其开通和关断，与器件上的电压和电流无关。由 于功率器件存在开关时间，当 PWM电路状态转换时，晶体管同时在较大的电流和电压下开关， 产生很大的瞬时开关损耗。而且当开关频率比较高时，由于很大的 iv/A和沿会产生很大的电 磁干扰，此种工作模式称之为开关管的 “ 硬开关 ” 模式。图 1.1给出了开关管在硬开关模式下电 压电流的工作波形 3。换言之，所谓硬开关就是功率管的开通或关断是在器件上的电流或电压 不为零的状态下进行的。 硬开关工作模式下，开关管在开通时，管上压降没有立刻下降至零，而是需要
26、下降的时间， 与此同时，其导通电流也没有立刻上升至负载电流，而是需要上升的时间。在电压和电流下降 和上升的交叠区域内消耗的能量，被称作开关管的开通损耗。 开关管在关断的时候，管上压降没有立刻从零上升至电源电压，而是需要上升的时间，与 此同时，其导通电流也没有立刻下降至零。在电压和电流上升和下降的交叠区域内所消耗的能 量，被称作开关管的关断损耗。根据以上定义，在开关管工作过程中产生的开通损耗和关断损 1 耗统，被合称作开关管的开关损耗。给定的条件下，在一个工作周期内，开关管所产生 的开关 损耗是不变的。同样的工作时间下，对于变换器而言，其开关管的工作频率越高，相应造成的 开关损耗也越大，从而导致
27、变换器的效率也会更低。换言之 ,变换器的开关损耗阻止了其开关频 率的进一步提高，从而阻碍了其功率密度的提高，造成传统 PWM变换器的发展瓶颈。 图 1.2给出了硬开关工作模式下，变换器的负载呈感性时的工作轨迹。图中虚线为其安全工 作区。从图中可以看出，开关管的工作轨迹很容易会超出安全工作区的范围，从而造成开关管的 损坏。 图 1.2硬开关模式下开关管的工作轨迹 1. 1.2软开关技术 为了提高 DC-DC变换器的功率密度，首先要实现高频化，而要提高开关频率并且同时提高 变换器的效率，则必须降低功率管的开关损耗。而降低开关损耗的有效方法就是实现功率管的 软开关，由此软开关技术应运而生并得以发展
28、1 * * 4。图 1.3给出了功率管能够实现软开关的波形。 2 图 1.3软开关模式下开关管的工作波形 根据 1.1.1节的分析得知，开关损耗主要是由开关管的电压和电流在上升和下降的交叠区域 消耗的能量产生的。故而，总结降低开关管的开通损耗主要方法有： 1. 在开通之前，让开关管上的压降下降至零； 2. 在开通之前，让开关管的导通电流减小至零，或者想办法限制电流的上升率，从而减小 电流与电压的交叠区。 同理，根据分析，结合图 1.3从中可以看出减小开关管关断损耗的方法有： 1.在关断时刻，让开关管的导通电流提前减小至零； 3 2. 在关断时刻，让开关管的压降下降至零，或者想办法限制电压的上升
29、率，从而减小电流 与电压的交叠区。 图 1.4给出了开关管在软开关条件下的工作轨迹，从图中可以看出，此时开关管的工作条件 很好，不容易超出安全工作区。 图 1.4软开关模式下开关管的工作轨迹 由于软开关有效地降低了开关损耗，提高了变换器的开关频率，所以软开关技术在近二十 多年来得到了长足的发展，其发展过程总结如表 1.1所示。 表 1.1软开关技术的发展过程 提出时间 软开关技术 开关电源中应用 20世纪 70年代 串联或并联谐振 半桥或全桥 20世纪 80年代初 有源箝位 ZVS 主要是单端 20世纪 80年代中 准谐振或多谐振 单端或桥式 20世纪 80年代末 ZVS/ZCS-PWM 单端
30、或桥式 20世纪 80年代末 移向全桥 ZVS-PWM 全桥 20世纪 90年代初 ZVT/ZCT-PWM 移向全桥混合 ZVS/ZCS-PWM 全桥 应用软开关技术的功率变换器主要可分为四类 5: 1. 谐振变换器 （ Resonant Converter):根据谐振电路和负载的连接方式，可分为三类：串 联型、并联型以及串并联型 （ LCC)谐振变换器。所谓谐振变换器，就是以谐振电路为基本单 元，利用谐振原理，在开关管的工作过程中使其电压或电流按照正弦或者准正弦的规律变化， 使得器件实现零电流关断和零电压开通，从而让器件在开通和关断的过程中损耗接近为零 12。 2. 准谐振变换器 （ QRCs， Quasi Resonant Converters)和多谐振变换器 （ MRCs，