劉明明 折勇剛

摘 要：設(shè)計(jì)了一款開關(guān)電源，其硬件電路采用無橋有源PFC與雙變壓器LLC諧振變換器拓?fù)涞慕Y(jié)合，使用AUIR24427S和單片機(jī)對可控元器件進(jìn)行控制。確定了雙變壓器LLC諧振變換器的基本參數(shù)，并使用仿真軟件MATLAB/Simulink建立了變換器的仿真模型，驗(yàn)證了該設(shè)計(jì)的可行性。

關(guān)鍵詞：無橋有源PFC;雙變壓器;LLC諧振變換器;仿真

中圖分類號：TP273? ? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A? ? 文章編號：1671-0797（2024）13-0001-05

DOI：10.19514/j.cnki.cn32-1628/tm.2024.13.001

0? ? 引言

隨著新能源的不斷發(fā)展，對電能的應(yīng)用場所越來越多。不論是在新能源汽車行業(yè)、光伏儲能行業(yè)，還是在電子產(chǎn)品行業(yè)，電池充放電技術(shù)都取得了顯著進(jìn)展。傳統(tǒng)的開關(guān)電源存在開關(guān)損耗過大、充電器體積較大、充電速率較慢等缺點(diǎn)，如何設(shè)計(jì)出體積輕便、效率高且功率密度大的開關(guān)電源成為目前研究的熱點(diǎn)。

LLC諧振變換器因其原邊開關(guān)管可以很好地實(shí)現(xiàn)全負(fù)載下零電壓開關(guān)，所以在實(shí)現(xiàn)寬輸入，高效率、高功率密度充電的應(yīng)用場景下與具有PWM輸出控制的單片機(jī)具有很好的契合度。本設(shè)計(jì)便是以此為背景，對傳統(tǒng)的全橋LLC拓?fù)潆娐愤M(jìn)行改進(jìn)，采用雙變壓器的結(jié)構(gòu)替代諧振電感，并通過單片機(jī)和AUIR24427S分別控制LLC拓?fù)浜陀性碢FC，最后使用MATLAB對LLC諧振變換器進(jìn)行仿真驗(yàn)證。

1? ? 雙變壓器LLC諧振變換器工作原理

雙變壓器LLC諧振變換器除具有傳統(tǒng)LLC諧振變換器優(yōu)良的軟開關(guān)特性外，還有效減少了磁芯體積，具有更高的功率密度[1]。變壓器T1、T2原邊繞組并聯(lián)、副邊繞組串聯(lián)，S3、S4、S5、S6組成輸入全橋，Lr為諧振電感，Cr為諧振電容，D3、D4、D5、D6組成輸出整流全橋。諧振電容Cr與諧振電感Lr構(gòu)成諧振腔，Lm為勵(lì)磁電感，電路與勵(lì)磁電感Lm、諧振電感Lr可以產(chǎn)生兩個(gè)諧振頻率，分別為fr和fm[2]，計(jì)算方法見公式（1）和公式（2）。

fr=（1）

fm=（2）

LLC拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)工作頻率為fs，經(jīng)分析發(fā)現(xiàn)雙變壓器工作區(qū)間劃分為三個(gè)區(qū)域：容性區(qū)域，fsfr。

LLC諧振變換器的三種主要工作模態(tài)都屬于感性工作狀態(tài)，諧振腔電流相位始終滯后于電壓相位，因此都能實(shí)現(xiàn)原邊MOS管ZVS，弱感性區(qū)域內(nèi)工作時(shí)二次側(cè)工作于電流斷續(xù)模式，還可以實(shí)現(xiàn)整流二極管ZCS，但強(qiáng)感性區(qū)域內(nèi)二極管工作于電流連續(xù)模式，無法實(shí)現(xiàn)其ZCS。因此，弱感性區(qū)為理想工作區(qū)域，為確保軟開關(guān)的特性，通常設(shè)置LLC諧振變換器工作于該區(qū)域內(nèi)[3-4]。

圖1為工作波形圖，圖2為LLC諧振拓?fù)湓诎雮€(gè)周期下的工作模態(tài)，各階段詳細(xì)分析如下：

階段一（t0—t1）：在t0時(shí)刻，雙變壓器LLC諧振變換器的功率器件關(guān)斷，進(jìn)入死區(qū)。此時(shí)間很短，諧振電流Ir流至S3、S5來實(shí)現(xiàn)ZVS。

階段二（t1—t2）：在t1時(shí)刻，S3、S5開通，該階段副邊整流二極管D3、D6導(dǎo)通，原邊向副邊傳輸能量。

階段三（t2—t3）：在t2時(shí)刻，Ir=Im，整流電路中二極管關(guān)斷，負(fù)載電流僅由濾波電容C1提供。

階段四（t3—t4）：諧振電流Ir流至S3、S5來實(shí)現(xiàn)ZVS，在t4時(shí)刻，S4、S5導(dǎo)通。

其余階段拓?fù)涞墓ぷ魈匦耘c上述階段相似，本文不再贅述。

2? ? 方案設(shè)計(jì)

本設(shè)計(jì)的關(guān)鍵目標(biāo)參數(shù)為：輸入電壓AC185～240 V/50 Hz，輸出電壓DC48 V，直流母線電壓范圍DC250～400 V，失電后輸出有效電壓保持時(shí)間大于20 ms。為實(shí)現(xiàn)以上目標(biāo)，需要對LLC拓?fù)渲械年P(guān)鍵參數(shù)進(jìn)行計(jì)算和確認(rèn)，主要為諧振腔的諧振電容Cr、諧振電感Lr、勵(lì)磁電感Lm和變壓器的匝數(shù)比。

第一步，需要先確認(rèn)輸入電壓范圍。因?yàn)楫?dāng)范圍較寬時(shí)，方便該電源支持更靈活的電源輸入范圍，但同時(shí)帶來的弊端是使電容所需的容量變大。所以需要選擇一個(gè)合理的直流母線電壓范圍來保證既能滿足較寬范圍的輸入，也能保證電容不會過大，浪費(fèi)功率密度?？紤]現(xiàn)在主要元器件的工作性能，故將諧振頻率定義在1 MHz，并將直流母線電壓范圍定在250～400 V。

第二步，根據(jù)公式（3）確定變壓器匝數(shù)比n，Vin取正常工作時(shí)的電壓400 V，Vo為工作輸出電壓48 V，計(jì)算可得n=4。

n=（3）

式中：Vin為輸入電壓;Vo為工作輸出電壓;n為變壓器匝數(shù)比。

第三步，考慮低導(dǎo)通損耗下的死區(qū)時(shí)間和Lm，根據(jù)公式（4）可求得Lm所允許的最大值。其中td為死區(qū)時(shí)間，用來保證實(shí)現(xiàn)軟開關(guān)功能，Coss為MOSFET的結(jié)電容。當(dāng)電路工作時(shí)，會在死區(qū)時(shí)間內(nèi)將結(jié)電容上的電荷抽走，以實(shí)現(xiàn)零電壓導(dǎo)通。

Lm=（4）

式中：T0為一個(gè)周期內(nèi)導(dǎo)通時(shí)間;td為死區(qū)時(shí)間;Coss為MOSFET的結(jié)電容;Lm為變壓器勵(lì)磁電感。

考慮開關(guān)損耗和導(dǎo)通損耗的平衡，死區(qū)時(shí)間取100 ns，由此計(jì)算出Lm=8 μH。

第四步，需要確認(rèn)電感比Ln和品質(zhì)因數(shù)Q，見公式（5）與公式（6）。

Ln=（5）

式中：Lr為諧振電感;Lm為變壓器勵(lì)磁電感;Ln為電感比。

Q=（6）

式中：Lr為諧振電感;Cr為諧振電容;RL為等效電阻;n為變壓器匝數(shù)比。

從考慮工作電壓應(yīng)力較小的角度出發(fā)，希望采用更小的Ln和更大的Q的應(yīng)用場景，考慮失電后有效電壓保持時(shí)間的輸入電壓的最大增益Mmax=Vmax/Vmin=

400/250=1.6，LnQ=1.5，最終確認(rèn)Ln=4，Q=0.375。

第五步，基于fr確認(rèn)Cr，根據(jù)公式（1）可以計(jì)算出Cr=15 μF。

以上便完成了LLC諧振電路主要參數(shù)的計(jì)算。

3? ? 硬件電路設(shè)計(jì)

本文所設(shè)計(jì)的開關(guān)電源的硬件電路主要包括主拓?fù)潆娐?、PWM驅(qū)動電路、芯片供電電路、控制電路、模擬量采集電路等。具體的硬件原理圖如圖3所示，現(xiàn)對硬件電路主要功能進(jìn)行簡單的介紹。

3.1? ? 主拓?fù)潆娐?/p>

主拓?fù)潆娐分饕蓛刹糠纸M成，一部分為無橋有源PFC電路，該電路的主要作用為將交流輸入電壓整流為直流電壓;另一部分為雙變壓器LLC諧振電路，該電路的主要作用為將整流后的直流電壓變壓至需要的輸出電壓。

無橋有源PFC電路具有功率因數(shù)調(diào)整靈活、效率較高等特性[5]。本設(shè)計(jì)通過控制PFC電路中的可控硅元器件來保證輸入電壓與電流的波形相同、相位相同，以達(dá)到提高功率因數(shù)、減少電磁干擾的目的[6-7]。

雙變壓器LLC諧振拓?fù)湟子趯?shí)現(xiàn)軟開關(guān)技術(shù)，能夠減少開關(guān)損耗，提高電路效率，延長元器件的使用壽命。并且雙變壓器構(gòu)造可以減少磁性元器件的體積，有效地提高開關(guān)電源的功率密度。單片機(jī)實(shí)時(shí)監(jiān)測負(fù)載工況，通過PWM驅(qū)動電路控制LLC諧振電路的開關(guān)管S3、S6和S4、S5的交替導(dǎo)通，使電路工作在諧振點(diǎn)附近，維持穩(wěn)定的輸出電壓。

3.2? ? IC芯片供電電路

為解決IC芯片供電問題，本設(shè)計(jì)從主電路中直流母線取直流電壓，經(jīng)過三端穩(wěn)壓器LM7812獲得DC12 V，為IRS4426芯片、TPS2812芯片、采樣電路供電。并采用分壓電阻將DC12 V降壓至DC3.3 V，為單片機(jī)供電。

3.3? ? 控制電路和PWM驅(qū)動電路

STM32F401CBU6單片機(jī)為整個(gè)控制系統(tǒng)的核心，其產(chǎn)生的兩路PWM信號輸送給控制PFC芯片電路，以達(dá)到調(diào)節(jié)電路的功率因數(shù)的目的。產(chǎn)生的另外兩路PWM波輸送給PWM驅(qū)動電路，用來控制LLC諧振電路。

芯片TPS2812內(nèi)含兩個(gè)激勵(lì)器，電源電壓支持4～14 V。芯片TX-KD302是兩個(gè)單管驅(qū)動器組合的半橋隔離驅(qū)動器，用來驅(qū)動高壓、高頻的可控硅元器件。

3.4? ? 模擬量采樣電路

本開關(guān)電源的模擬量采樣電路主要為電壓信號采樣反饋電路和電流采樣電路。主要目的是采集電網(wǎng)側(cè)輸入電壓、直流母線處電壓和電流、負(fù)載側(cè)電壓和電流用于單片機(jī)的控制。

電壓信號采樣反饋電路主要采用差分電路，旨在將電壓信號衰減約100倍，并對交流電壓信號進(jìn)行平移，使負(fù)半軸的信號變成正值，以滿足STM32單片機(jī)模擬量的量程范圍。電網(wǎng)側(cè)輸入電壓采樣電路并聯(lián)在主電路交流輸入V1，信號傳輸至單片機(jī)的13針腳;直流母線處電壓采樣電路并聯(lián)至主電路IC端子，信號傳輸至單片機(jī)的14針腳;負(fù)載側(cè)電壓采樣電路并聯(lián)至負(fù)載兩端，信號傳輸至單片機(jī)的15針腳。

電流信號采樣反饋電路同樣采用差分電路，通過精密采樣電阻獲得適宜量程范圍的工作電流信號，用于單片機(jī)的控制回路。負(fù)載側(cè)電流采樣電路并聯(lián)至主電路圖精密電阻R27兩端，通過采樣電阻獲得與電流變化一致的電壓信號，傳輸至STM32單片機(jī)的18針腳;直流母線處電流通過精密采樣電阻R1獲得，傳輸至單片機(jī)的19引腳。

4? ? 軟件設(shè)計(jì)

本設(shè)計(jì)的軟件主要有電壓、電流采集，PWM輸出，根據(jù)采集的物理量對PWM自動PID調(diào)節(jié)控制及顯示等功能。其中核心部分為PID調(diào)節(jié)控制功能，主要為將輸入的AI值進(jìn)行比較，通過PID控制器計(jì)算出下一周期PWM的占空比，寫入相應(yīng)的寄存器，以實(shí)現(xiàn)更改PWM控制波的輸出。主要程序流程圖如圖4所示。

當(dāng)系統(tǒng)啟動時(shí)，首先進(jìn)行系統(tǒng)初始化程序，然后分別對輸入側(cè)電壓、輸出側(cè)電壓、直流母線電流、輸出側(cè)電流進(jìn)行采樣測量。PFC功率自動調(diào)整功能，根據(jù)對比直流母線上的電流與輸入側(cè)電壓的相位，計(jì)算出功率因數(shù)，當(dāng)功率因數(shù)低于0.99時(shí)，自動啟動PFC的PID調(diào)節(jié)功能，改變PFC電路的PWM控制信號的占空比，并將對應(yīng)的控制參數(shù)寫入到寄存器中，以實(shí)時(shí)改變PWM驅(qū)動的輸出，實(shí)現(xiàn)動態(tài)調(diào)整PFC的功率因數(shù)的目的。充電電壓控制功能，當(dāng)輸出側(cè)電壓高于設(shè)定電壓時(shí)，代表充電完成，關(guān)閉LLC電路PWM控制的輸出信號;當(dāng)未達(dá)到設(shè)定電壓時(shí)，實(shí)時(shí)通過PID控制使輸出側(cè)的反饋電壓跟隨參考電壓，以保證充電質(zhì)量。

5? ? 仿真結(jié)果

通過仿真軟件可以有效地對設(shè)計(jì)進(jìn)行模擬驗(yàn)證，提前發(fā)現(xiàn)設(shè)計(jì)缺陷，實(shí)現(xiàn)低成本優(yōu)化電路的目的。本設(shè)計(jì)選擇使用MATLAB的Simulink來對設(shè)計(jì)電路進(jìn)行初步的仿真驗(yàn)證，如圖5所示。

將第2節(jié)所計(jì)算出的參數(shù)賦予相應(yīng)的模塊，搭建PFC電流內(nèi)環(huán)和電壓外環(huán)的PI自動控制，調(diào)節(jié)PWM3和PWM4的信號，以保證Vin的電壓穩(wěn)定在400 V左右;搭建LLC電路的電壓環(huán)PI自動控制，保證在實(shí)現(xiàn)零電壓導(dǎo)通的前提下，輸出穩(wěn)定在48 V左右。仿真所得的電壓和電流波形如圖6所示，可見輸出穩(wěn)定控制在48 V左右，紋波較小，該開關(guān)電源設(shè)計(jì)理論可行。

6? ? 結(jié)論

本文對雙變壓器LLC諧振變換器的工作原理進(jìn)行了介紹，基于此拓?fù)湓O(shè)計(jì)完成了完整的開關(guān)電源電路，并通過仿真驗(yàn)證了該電路的設(shè)計(jì)合理性。該開關(guān)電源工作可靠，對于較寬的輸入電壓有自調(diào)整性，且具有較高的工作效率及功率密度，在光伏、儀表集中供電、新能源汽車等行業(yè)有很好的應(yīng)用前景。

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作者簡介：劉明明（1994—），男，甘肅白銀人，工程師，研究方向：工業(yè)自動化。

折勇剛（1996—），男，甘肅白銀人，研究方向：電氣自動化。