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1、 Nanjing University of Aeronautics and Astronautics The Graduate School College of Automation Engineering Research on Digital Control Full-Bridge LLC Resonant Converter A Thesis in Electrical Engineering by Qian Juan Advised by Professor Chen Qianhong Submitted in Partial Fulfillment of the Requirem
2、ents for the Degree of Master of Engineering March, 2013 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、缩印或扫 描等 复制手段保存论文。 (保密的学位论文在解密后适用本承诺书
3、） 作者签名 : 日 期 : 航空高压直流电源系统具有电网重量轻、易于实现不中断供电等特点，是未来飞机供电系 统发展方向之一。本文研究高压直流电源系统中的二次电源 DC/DC变换器。 全桥 LLC谐振变换器具有电路结构简单、可以在宽负载范围内实现开关管的零电压开通和 输出二极管零电流关断的优点，非常适合作为高压直流电源系统中的二次电源 DC/DC级电路 拓扑。 LLC谐振变换器常用的控制策略有变频控制和定频控制，两种策略各有其优缺点。为了 结合两种控制策略的优点，本文采用了变频控制和定频控制相结合的混合式控制策略。本文详 细讨论了混合式控制策略下变换器分别工作在变频控制和定频控制模式时全桥 L
4、LC谐振变换 器的工作原理，并分别采用基波分析法和时域分析法讨论了变频工作模式和定频工作模式下变 换器的基本特性，在此基础上给出了变换器模式切换点的选取原则。当变换器工作在开关频率 等于谐振频率的模式时，变换器的效率最优，考虑到实际参数的误差，本文提出了一种谐振频 率检测方法，从而保 证额定输入时、变换器始终工作在谐振频率点。 传统的模拟控制电路比较复杂、元器件数目繁多，极大地限制了电源功率密度的提高和电 源成本的缩减，因此本文给出了一种数字控制方案。该方案选取 DSP作为控制单元，设计了基 于 DSP的全桥 LLC谐振变换器的控制电路，包括驱动电路、采样调理电路、谐振频率检测电 路等，并给出
5、了数字控制方案的具体流程图。 最后，在实验室完成了一台输入为 DC 27010% V,输出为 DC 28.5V/lkW原理样机的制作 与调试工作，并进行了实验验证。实验结果验证了理论分析和参数设计的正确性。 关键词：全桥 LLC谐振变换器，混合控制，数字控制，谐振频率检测 ABSTRACT High-voltage DC (HVDC) aeronautical power system has the advantages such as lower weight and easiness to realize uninterruptible power supply, which has b
6、een regarded as the future trend of the power system in aeroplane. This dissertation is devoted to theoretical study and engineering practice on DC/DC converter of secondary power supply in HVDC power system. The Full-Bridge LLC resonant converter is very suitable for the DC/DC stage in HVDC power s
7、ystem, because it has the advantages of simple configuration, zero-voltage-switching (ZVS) for the switches and zero-current switching (ZCS) for the rectifier diodes in a wide load range. The control strategies for full-bridge LLC resonant converter normally include variable-frequency control and fi
8、xed-frequency control, which have advantage and disadvantage of their own. In order to combine the advantages of both the two control strategies, a hybrid control is adopted in this thesis. The operation principle of the converter under the two control strategies are discussed in the thesis, the cha
9、racteristics of the full-bridge LLC resonant converter under variable-frequency control and fixed-frequency control are analyzed by fundamental harmonic approach and time domain analysis respectively, based on this, the switching point selection principle of the converter is given. When the switchin
10、g frequency is equal to the resonant frequency, the efficiency of the converter is optimal. Considering the deviation of the parameters, a resonance frequency detection method is proposed in the thesis, to ensure that the converter work at the resonant frequency at rated input voltage. The tradition
11、al analog control circuit is complex and has various components, witch greatly limits the improvement of power density and power cost reduction, so a digital control program is given in the thesis. The control circuit design of full-bridge LLC converter is based on DSP, including drive circuit, samp
12、ling and modulating circuit, resonant frequency detection circuit and so on. The flow chart of digital program is also given in the thesis. Finally a prototype of 270 士 10%V input, 28V/lkW output was favricated and tested in the lab, and the experimental results were provided to verify the effective
13、ness of the proposed converter. Keywords: Full-Bridge LLC Resonant Converter, Hybrid Control, Digital Control, Resonant Frequency Detection II 摘要 目录 ABSTRACT . II 录 . III 醜 M . VI . VIII n-# mt . i l.i弓丨胃 . 1 1.2常用的 270V高效率航空用 DC/DC级电路拓扑 . 2 1.2.1双管正激变换器 . 2 1.2.2半桥变换器 . 2 1.2.3全桥变换器 . 3 1.3全桥 LLC谐振
14、变换器的研究现状 . 4 1.3.1拓扑结构 . 5 1.3.2控制方式 . 7 1.3.3增益特性 . 9 1.3.4谐振频率检测 . 9 1.3.5变压器的优化设计 . 10 1.4本文主要研究内容及意义 . 10 第二章全桥 LLC谐振变换 器的复合式工作原理 . 12 2.1主电路结构 . 12 2.2变频控制全桥 LLC谐振变换器的工作原理 . 13 2.3变频控制全桥 LLC谐振变换器的基本特性 . 17 2.3.1基于基波分析法的等效电路模型 . 17 2.3.2全桥 LLC谐振变换器的电压增益特性分析 . 19 2.4定频控制全桥 LLC谐振变换器的工作原理 . 21 2.5定
15、频控制全桥 LLC谐振变换器的基本特性 . 26 2.6模式切换点的选取 . 29 2.6.1开关管损耗分析 . 29 2.6.2整流二极管损耗分析 . 31 2.6.3磁性元件损耗分析 . 31 III 2.6.4变换器的效率 33 2.7本章小结 . 34 第三章数字控制全桥 LLC谐振变换器的设计 . 35 3.1 TMS320F2812 芯片简介 . 35 3.2基于 DSP控制系统硬件电路的设计 . 36 3.2.1驱动电路的设计 . 36 3.2.2采样反馈电路的设计 . 37 3.2.3谐振频率检测电路的设计 . 38 3.3基于 DSP控制系统中软件设计 . 39 3.3.1数
16、字 PWM驱动波形的产生 . 39 3.3.2系统控制程序整体流程 . 40 3.3.3定时器中断服务程序 . 41 3.3.4谐振频率检测程序整体流程 . 43 3.3.5数字 PID控制器的实现 . 45 3.4本章小结 . 46 第四章实验验证与讨论 . 47 4.1弓丨言 . 47 4.2主电路参数设计 . 47 4.2.1变压器原、副边匝比的选取 . 47 4.2.2激磁电感与谐振电感比值 A的选取 . 47 4.2.3品质因素 0的选取 . 48 4.2.4确定谐振元件参数 . 50 4.2.5参数合理性校验 . 50 4.2.6功率器件的选择 . 51 4.2.7变压器设计 .
17、52 4.2.8谐振电感设计 . 53 4.3实验结果与分析 . 53 4.4本章小结 . 63 第五章结束语 . 64 5.1本文的主要工作 . 64 5.2工作展望 . 64 参考文献 IV 66 Wl . 69 攻读硕士学位期间所发表的论文及参与完成的科研项目 . 71 V 图表清单 图 1.1 270V高压直流电源系统的二次电源形式 . 1 图 1.2双管正激变换器 . 2 图 1.3半桥变换器 . 3 图 1.4全桥变换器及其主要工作波形 . 4 图 1.5谐振变换器结构示意图 . 5 图 1.6半桥逆变网络及其主要工作波形 . 5 图 1.7全桥逆变网络及其主要工作波形 . 6 图
18、 1.8整流电路图 . 6 图 1.9全桥 LLC谐振变换器 . 7 图 1.10LLC谐振变换器交流等效电路图 . 9 图 1.11变压器原边电压主要波形 . 10 图 2.1全桥 LLC谐振变换器主电路 . 12 图 2.2全桥 LLC谐振变换器三种工作模式主要工作波形 . 13 图 2.3变频控制全桥 LLC谐振变换器工作模式 1下模态等效电路图 (/； nV 2 nVo t 10 第二章将详细阐述混合式控制策略下全桥 LLC谐振变换器分别工作在变频定频控制模式 和定频控制模式时的工作原理，变频控制模式下，采用基波分析法分析了变换器的基本特性； 对于定频控制模式，考虑高频谐波含量较高，采
19、用时域法较精确地分析了变换器的基本特性。 最后给出变换器模式切换点的选取原则，从而为变换器的设计提供了依据。 第三章简要介绍 TMS320F2812,在此基础上给出数字控制 LLC谐振变换器的控制框图。 然后以TMS320F2812为控制核心构建数字化控制系统，分别设计了系统的驱动电路、采样调 理电路、谐振频率检测电路的实现方法，同时给出系统控制软件的主要流程图。 第四章给出数字控制全桥 LLC谐振变换器主功率回路参数详细的设计过程，在实验室研制 了一台 1KW的原理样机，并进行实验验证。 第五章对本文工作进行总结，并对下一步的研宄工作进行了展望。 11 第二章全桥 LLC谐振变换器的复合式工
20、作原理 混合式控制全桥 LLC谐振变换器具有变频控制时效率较高的优点，同时兼顾定频控制时磁 性元件利于优化设计、容易实现 LLC谐振变换器的启动和限流的优势，近年来受到越来越广泛 地关注。对于 LLC谐振变换器，其电路特性比较复杂，为了能够使 LLC谐振变换器的性能最 优，必须设计出一组合理的参数。因此本章将先分析 LLC谐振变换器的工作原理，讨论变换器 的基本特性。在此基础上给出混合式控制策略下变换器的损耗分布，从而给出混合式控制模式 下变换器模式切换点的选取原则。 2.1主电路结构 全桥 LLC谐振变换器的结构如图 2.1所示。图中，込为主功率开关管， AZ)4、 CVC4 分别为它们的体
21、二极管及其漏源极之间的寄生电容。 7；为主功率变压器。 Z)； n和 Z)m为输出整流 二极管， C为输出滤波电容，为负载电阻。谐振电感 I,.(包括变压器的原边漏感 )、励磁电感 和谐振电容 C,.组成 LLC谐振变换器的谐振网络。其中，励磁电感 1,集成在变压器里；谐振 电容 C,.串联在原边回路中，同时起到隔直电容的作用。 图 2.1全桥 LLC谐振变换器主电路 为了方便讨论，定义谐振电感 MP谐振电容 C,.的谐振频率为串联谐振频率，记作当谐 振电流4,.下降到和励磁电感电流相等时，励磁电感、谐振电感 i,.与谐振电容 C,.一起谐 振，此时的谐振频率定义为串并联谐振频率，记作 /,3
22、9。两个谐振频率的表达式如下： ) (二 K. (21(b) 显然，。另外，谐振角频率的表达式分别定义为： a=2Zf， =7 (2.2 ） 12 m=27rfm 1 V(4 +Lm)Cr (2.2(b) 2.2变频控制全桥 LLC谐振变换器的工作原理 LLC谐振变换器在调频工作方式下，通过改变开关频率的大小来调节其能量输出的大小。 根据开关频率 /,与谐振频率的大小关系， LLC谐振变换器存在以下三种工作模式： 工作模式 1:/,/. 图 2.2 (续 ) 1) 开关模态 0 %之前 ,对应图 2.3(a): M寸刻之前，开关管 和 ft导通， i,.、 0和 1, 组成的谐振回路共同谐振。
23、整流二极管 Dm和仇 2反偏截止，输出被变压器隔离。变压器原、 副边均无电流，输出电容 C给负载供电。 2) 开关模态 1 ， A,对应图 2.3(b): 时刻，关断开关管 &和 03，由于励磁电感 较 大且该模态持续时间很短，可以近似认为谐振电感电流不变 ， k = /ini = /m，给 0时，整流二极管 An导通，变压器原边电压 Vp = wF0, 4 = w-/p;当 /p后，高频分量被滤除，所以只有直流分量流过负载电 阻 大 小 等 于 则 有 : I =Yf |4ec (t)dt = f nip (t)dt = Tj2Ipl sin(/ - cp)dt = 变换可得 : n1。 p
24、X l4l-n 由式 (2.9)和式 (2.10)可知整流网络可以等效为一纯阻性电阻 : R 1(0 (4wFo/-)sin(fi； /-) 8w2 R eq ;p(0 (I0/2n)sm(cost-(p) TT2 U cost cost cost cost (2.12) (2.13) (2.14) 18 图 2.6变压器原、副边电流，整流网络输出电流，整流网络输入电压及其基波分量波形 综上分析，可以得到全桥 LLC谐振变换器基波分析法的等效电路，如图 2.7所示。 C； II II V * Lr + nV0 & 图 2.7全桥 LLC谐振变换器交流等效电路模型 2.3.2全桥 LLC谐振变换
25、器的电压增益特性分析 1丄 LC谐振网络的电压增益 根据图 2.7,可以得到全桥 LLC谐振变换器的交流电压增益为： Vpl HUas)- jco C J s r + A, (2.15) 定义全桥 LLC谐振变换器的输入输出电压增益为 ： /匕，结合式 (2.8)和式 (2.11)可以 得到变换器的电压增益为： M = nV0 K + jco L IIR s m ec (2.16) 为了分析和设计方便，定义励磁电感与谐振电感之比为 ： A = im/i,， 归一化开关频率 ： /,= /及 .，其中为开关频率，品质因素 2定义为 ： Q = Zr/R=LjCr/R。则可以得到全桥 LLC 谐振
26、变换器的电压增益函数为： 1 M /)- 1 -2 _ 01 1 + - 又 lY- J n J + Q fn7 Jn J _ (2.17) 当又 =4时，可以得到变换器一组不同品质因素 0下的电压增益曲线，如图 2.8所示。从图 中可以看出，当归一化开关频率确定以后，曲线峰值增益随着品质因素 0的增加而减小，根 据品质因素的定义公式，可知满载时变换器的电压增益越小。因此设计时为了保证变换器有足 够的电压增益，应在低压满载时设计变换器的最大电压增益值。 当 时，即 2 时，可以得到变换器的空载电压增益 M仏 ) M 。 pm = 当归一化开关频率趋于无穷大时，得到变换器空载情况下的最小增益为：
27、 ,1 1 + - 乂 Jn J (2.18) 19 MifXer, =Y77 (2.19) 为了能保证变换器空载下能工作，设计时变换器的最小电压增益应满足 Mm, 。 fn 图 2.8全桥 LLC谐振变换器电压增益曲线 2.谐振网络的输入阻抗和工作区域的划分 高频开关应用场合，功率开关管一般选用 MOSFET, MOSFET适合工作于 ZVS状态，因 此设计时必须保证变换器整个工作 范围内能够实现开关管的 ZVS。 为了保证开关管 ZVS的实 现，输入电流相位必须落后于输入方波电压，即变换器的输入阻抗必须成感性，因此本小节将 讨论变换器的输入阻抗特性。 由图 2.7可知变换器的输入阻抗表达式
28、为： fn-Q) = JLr + + Req/ (J a sLm) = l-r + J Xf n (2.20) 当输入阻抗呈阻性时，即容性和感性区域的分界线，定义此时的频率为。当变换器 工作在 “ 1， 工作在升压模 式，变换器的输入阻抗感性，开关管能够实现 ZVS开通；同时能实现整流二极管的 ZCS关断。 区域 3:在 /= 1以及纯阻性曲线左侧，变换器工作在容性区，开关管工作在 ZCS状态。 由于 MOSFET比 IGBT具有更快的开关速度，因此更容易实现变换器的高频化，从而提高 功率密度。为了实现变换器的较高的变换效率， LLC谐振变换器应 在任何开关频率下保证开关 管 ZVS的实现，同
29、时当变换器工作在区域 2中能够实现整流二极管的 ZCS关断。综上，本文 将使全桥 LLC谐振变换器设计在工作区域 2中。 2.4定频控制全桥 LLC谐振变换器的工作原理 定频控制方式下通过调节变换器的占空比来调节输出电压，因此本节将分析定频控制方式 下全桥 LLC谐振变换器的工作原理，在此基础上采用时域分析法分析变换器的输入输出电压增 益特性。由于移相全桥变换器可以在不增加任何辅助器件的条件下实现开关管的 ZVS,因此本 文选用移相控制方法实现定频控制的策略。 根据变换器占空比以及变换器谐振周期的大小关系，定频控制下全桥 LLC谐振变换器存在 两种工作方式，分别如图 2.9所示。由于输入电压
30、270V时将变换器设计在谐振频率点，即 /； = /.， 当输入电压增加时通过减小占空比来调节输出电压，此时变换器工作在 Z)7； /2供电。 21 图 2.9定频控制时全桥 LLC谐振变换器主要工作波形 2) 开关模态 1?Q, A,对应图 2.10(b):在 M寸刻，开关管込关断，谐振电感电流 4,.给电 容放电，同时给込的结电容 C2充电，由于结电容 CjPC4的缓冲作用，可以近似认为开关 管为零电压关断。由于该模态持续时间很短，近似认为谐振电感电流保持不变，负载继续由 输出滤波电容 C/供电。 3) 开关模态 2 A, ?2,对应图 2.10(c):当込的体二极管导通时，可以零电压开通
31、込。同 样，为了保证开关管込的零电压开通，应在 /x时刻之前开通込。此时，桥臂中点电压匕 B =匕 ,， 22 /i,.开始大于 Zh， 整流二极管 Z)K1开始导通，励磁电感两端电压被箝位在励磁电感电流线 性上升。 L,与 G共同谐振，其两端的电压为谐振电感电流 /以 ,谐振电容电压 vc,3导通，此时可以零电压 开通 ft。该模态中开关管 &和込导通，则 A、 B两端的电压为零， 继续谐振减小。此模态 中二极管乃 继续导通，则变压器原边电压仍为，励磁电感电流线性上升，到 /4时刻励磁 电感电流线性上升到和谐振电感的电流相等。该模态中， I,.的电流 4,.(、 C,.的电压 的电流 4,(
32、表达式分别为： _wj/ _j/ .(7 hr t)=IL,t?)cosa,- (? -) + - - 3； Jsincor(t-t3) (2.24(a) vc,. () = L,. (3 )z,.sin,. ( - 3) + (3 )cos,. ( - 3) (2.24(b) h,n (0 = - 1,n (?3 ) = ll) 1 ,n (2.24(c) 6) 开关模态 5 ?4, ?5,对应图 2.10(f):从 ?4时刻开始，谐振电感电流和谐振电感电流 /im( 相等，变压器原、副边网络断开，励磁电感与谐振电感串联，一起和谐振电容谐振。整流 二极管仇：的电流减小到零，因此为 ZCS关断
33、，不存在反相恢复问题。负载开始由输出滤波电 容 C供电。该模态内，谐振电感电流 4,.(、谐振电容电压 ve,.( 和励磁电感电流 4,(表达式分 别为： vCrtA) hrt)=IL,Xt4)C SCUmt-t4)-： hr(t)=IL,Xt4)C S( m(t-t4)- vc,(t4) 根据泰勒级数展开公式： 00 n C0SX 二 EH) (2)! =1-二 - - z smcom(t t4) (2.25(a) Jl + Asincom(t-t4) (2.25(b) )i . r- sm(Dm(t t4) (2.25(c) X6 Xs - + + 6! 8! (2.26(a) 23 si
34、nx 二 EH) (2w + l)! X3 X5 X7 X9 V - 1 - 1 - 3! 5! 7! 9! (2.26(b) 由于该模态持续时间较短，忽略泰勒级数展开的高次项，则 4,.(、 vc,.( 和 /im( 表达式可以 简化为： VC,.() =厂 C,. (4 ) + _ 4 )/C,. ilXt)=Im (2.27(a) (2.27(b) (2.27(c) 在 6时刻，关断开关管込，进入下半个工作周期。后半周期变换器的工作原理与前半周期 类似，本文将不再赘述。 (b) t , h 24 (c)A. h 图 2.10定频控制时全桥 LLC谐振变换器在 Z)7； /2 t6 图 2.10 (续 ) a ; -Ld UR2 c不 R, ； -Ld r-T- DR .Dm cf ； D R DOI Lr Tr iLm s * C； V (d) t2y t3 Lr Tr -Lm lP cr i + V (e) ?3. U Lr Tr -Lm C LJ *：； I + V (f) 4， 1 a ： DX Q2 ! : D2 Lr ； t.Jc4 A 25 2.5定频控制全桥 LLC谐振变换器的基本特性 当