馮興田， 邵 康， 黃遠(yuǎn)勝

(中國石油大學(xué)(華東) 信息與控制工程學(xué)院，山東 青島 266580)

0 引 言

軟開關(guān)電路是在電路開通或者斷開前，先讓開關(guān)管的電流或者電壓降低為零。這樣可有效減小開關(guān)損耗，提高電路電能的利用率。軟開關(guān)一般采用電感和電容，利用諧振的方式實現(xiàn)，以達(dá)到開關(guān)過程中的零電壓導(dǎo)通或者零電流關(guān)斷[1-4]。因此，在強(qiáng)調(diào)高頻化和高效率的背景下，由于硬開關(guān)電路不能適用于開關(guān)頻率高的電路中，軟開關(guān)技術(shù)得到了廣泛的關(guān)注與研究。軟開關(guān)技術(shù)的利用不僅解決了開關(guān)損耗嚴(yán)重的問題和開關(guān)過程中電路易振蕩的問題，而且也有利于開關(guān)電源向著小型化和模塊化方向發(fā)展。

相比較于傳統(tǒng)硅器件，碳化硅新型功率半導(dǎo)體器件禁帶寬，具有高擊穿場強(qiáng)、高飽和電子漂移速率、高熱導(dǎo)率等優(yōu)點，可以實現(xiàn)高壓、大功率、高頻、高溫的應(yīng)用器件。通過系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計可提升變換器的工作效率與功率密度，為變換器的輕量化、小型化、模塊化發(fā)展提供有力支撐，對應(yīng)用于分布式電源與微網(wǎng)場合的光伏逆變器、儲能變流器等在工作效率、功率密度等核心技術(shù)上的突破奠定了有利基礎(chǔ)[5-8]?；谔蓟韫β势骷腖LC諧振變換器具有明顯優(yōu)勢[9-15]，本文采用數(shù)字信號處理器TMS320F28377S作為控制器，設(shè)計了驅(qū)動電路、電壓采樣調(diào)理以及供電電路，使用碳化硅MOSFET搭建了諧振變換器的實驗平臺。

1 實驗系統(tǒng)設(shè)計與開發(fā)

基于碳化硅功率器件的LLC諧振變換器實驗系統(tǒng)包括硬件設(shè)計和軟件開發(fā)兩大部分。硬件設(shè)計包括主電路、驅(qū)動電路、電壓采樣調(diào)理以及供電電路的設(shè)計；軟件開發(fā)針對數(shù)字信號處理器TMS320F28377S的資源和變換器的要求進(jìn)行程序開發(fā)。

1.1 實驗系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

圖1給出了單相半橋LLC諧振變換器的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖，整個硬件系統(tǒng)分為主電路和數(shù)字控制兩部分。主電路包括單相半橋LLC諧振變換器的主電路及其驅(qū)動電路，負(fù)責(zé)能量的轉(zhuǎn)換；數(shù)字控制部分包括信號采集調(diào)理電路、供電電路和DSP外圍電路，實現(xiàn)驅(qū)動信號生成、AD轉(zhuǎn)換和閉環(huán)控制等功能。單相半橋LLC諧振拓?fù)浞譃榉讲òl(fā)生器、諧振腔和整流網(wǎng)絡(luò)三部分。變換器主電路中，兩個MOSFET開關(guān)管Q1、Q2產(chǎn)生占空比接近50%的方波，D1、D2分別為兩個MOSFET開關(guān)管的體二極管，C1和C2是MOS管的寄生電容；變壓器勵磁電感Lm，諧振電感Lr以及諧振電容Cr組成了LLC諧振腔；變壓器副邊采用中心抽頭式整流結(jié)構(gòu)，D1和D2是整流二極管；Co為輸出濾波電容。

圖1 單相半橋LLC諧振變換器系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

當(dāng)變壓器副邊的二極管導(dǎo)通時，原邊被副邊輸出電壓嵌位，勵磁電感不參與諧振，諧振電容、諧振電感和負(fù)載構(gòu)成諧振回路，此時諧振頻率為：

(1)

當(dāng)二極管關(guān)斷時，勵磁電感參與電路中的LC諧振，此時諧振頻率為：

(2)

兩個諧振頻率關(guān)系為fr2fr1，fr2

1.2 主控系統(tǒng)設(shè)計

本文采用TMS320F28377S浮點型DSP作為主控芯片，其主頻為200 MHz，具有ADC、ePWM、eCAP、eQEP等外設(shè)。ePWM模塊是單相半橋LLC諧振變換器所必需的模塊，可以對每個通道獨立設(shè)置，各通道之間相互依賴低，因此應(yīng)用起來比較靈活。它能夠在占用很小的CPU資源的情況下產(chǎn)生復(fù)雜的脈沖輸出，可以根據(jù)具體應(yīng)用靈活地進(jìn)行編程設(shè)置。單相半橋LLC諧振變換器的控制變量是開關(guān)管的開關(guān)頻率。使用ePWM模塊產(chǎn)生開關(guān)管的驅(qū)動信號。在ePWM模塊中只需要修改時間基準(zhǔn)子模塊中時基周期寄存器(TBPRD)和計數(shù)器比較子模塊中比較寄存器(CMPA、CMPB)就可以同時改變PWM的頻率和占空比。本文選用遞增計數(shù)模式，在動作限定子模塊中選擇計數(shù)達(dá)到比較器A(CMPA)寄存器輸出置“1”，當(dāng)計數(shù)至周期時使輸出置“0”。由于半橋LLC諧振變換器的驅(qū)動信號的占空比為0.5，故而比較器A(CMPA)寄存器值為周期寄存器(TBPRD)值的1/2。

1.3 驅(qū)動電路

單相半橋LLC諧振變換器通過改變開關(guān)管的頻率實現(xiàn)對輸出電壓的控制，開關(guān)管的驅(qū)動信號來自于DSP，DSP輸出高電平時電壓只有3.3 V，能輸出的最大驅(qū)動電流只有20 mA，難以驅(qū)動MOS管導(dǎo)通，因此需增加驅(qū)動電路。IR2110是一種雙通道高壓、高速電壓型功率開關(guān)器件柵極驅(qū)動器，具有自舉浮動電源，驅(qū)動電路十分簡單，只用一個電源可同時驅(qū)動上下橋臂，兼有光耦隔離和電磁隔離的優(yōu)點。選用IR2110設(shè)計驅(qū)動電路如圖2所示，在邏輯電平側(cè)采用5 V供電，驅(qū)動采用15 V供電，自電容C1選擇1 μF，IR2110的10腳和12腳直接和DSP的PWM引腳相連。

1.4 電壓采樣調(diào)理電路

為維持LLC諧振變換器輸出電壓的穩(wěn)定，利用反饋原理實現(xiàn)電壓閉環(huán)控制。因TMS320F28377S芯片的AD口輸入電平的范圍為0～3.3 V，需將變換器的輸出電壓信號轉(zhuǎn)換為控制芯片能檢測到的低于3.3 V的電壓信號。額定輸出電壓設(shè)計在10 V，因此先經(jīng)過調(diào)理電路將輸出電壓縮小到1/10，然后通過DSP內(nèi)部的ADC模塊送入DSP進(jìn)行軟件處理，和電壓基準(zhǔn)值比較，通過PI算法，進(jìn)行輸出電壓的調(diào)節(jié)。圖3給出了LLC諧振變換器的輸出電壓信號采樣調(diào)理電路。輸出電壓首先通過差分放大電路，差分放大電路的輸出經(jīng)過RC濾波網(wǎng)絡(luò)后，最后直接接入控制芯片的AD口。運放LM358采用單電源供電，其供電電壓范圍3～36 V，可以直接用DSP板子上的3.3 V電源供電。采用3.3 V供電可以防止調(diào)理電路輸出電壓過高而導(dǎo)致AD口燒壞，具有一定的保護(hù)作用。

圖2 開關(guān)管驅(qū)動電路

圖3 電壓采樣調(diào)理電路

1.5 供電電源

IR2110驅(qū)動芯片需要雙電源供電，為了減少外部供電電源的數(shù)量，采用三端穩(wěn)壓集成芯片LM7805，將15 V的外部供電電源轉(zhuǎn)換成5 V，供電路使用，見圖4。

圖4 供電電源電路

1.6 系統(tǒng)軟件開發(fā)

系統(tǒng)軟件主要針對DSP進(jìn)行相應(yīng)的算法編程，圖5所示為單相半橋LLC諧振變換器的主程序流程圖。首先進(jìn)行系統(tǒng)初始化，然后進(jìn)行PWM、外部按鍵中斷管腳的分配以及ADC模塊的初始化，之后初始化PWM模塊開始計數(shù)并使能中斷，最后進(jìn)入主程序死循環(huán)。

在循環(huán)中，首先判斷是否開機(jī)，若沒有，繼續(xù)循環(huán)判斷；否則進(jìn)入是否啟動判斷。如果已經(jīng)啟動，則進(jìn)行AD電壓采集；AD采集到的電壓可能不夠精確，先經(jīng)過中值濾波后再調(diào)用PI子程序得到開關(guān)頻率，最后修改PWM模塊的周期寄存器和比較寄存器的值。若沒有啟動就進(jìn)入啟動程序，用最大頻率啟動，其占空比逐漸增大至0.5；當(dāng)占空比增至0.5時啟動結(jié)束。

圖5 程序流程圖

2 變換器參數(shù)設(shè)計與實驗

基于碳化硅功率器件的LLC諧振變換器設(shè)計指標(biāo)及元件參數(shù)如下：輸入電壓范圍30～40 V；額定輸入電壓35 V；穩(wěn)定輸出電壓10 V；最大輸出功率20 W；諧振頻率20 kHz；最大工作頻率30 kHz；整流二極管，F(xiàn)R307快恢復(fù)二極管；輸出濾波電容，兩1 nF/50 V并聯(lián)，諧振電容，CBB22 1 μF/400 V；碳化硅功率管，CREE CMF10120D。高頻變壓器變比22∶13。圖6為實驗系統(tǒng)電路實物圖。

為了避免系統(tǒng)剛開機(jī)時啟動電流過大而帶來危害，同時防止開機(jī)初期進(jìn)入閉環(huán)引起沖擊。系統(tǒng)設(shè)計

圖6 實驗電路實物圖

在剛開機(jī)初期以30 kHz作為開關(guān)頻率，占空比0.1作為啟動占空比，隨后占空比逐漸增加至0.5時停止增加。圖7所示左圖為以20 kHz開關(guān)頻率啟動諧振電流波形，右圖為30 kHz開關(guān)頻率變占空比啟動時的諧振電流的波形，可以看出，30 kHz開關(guān)頻率變占空比啟動可以減小啟動電流。

圖7 啟動實驗波形

圖8所示為針對不同頻率下的單相半橋LLC諧振變換器的實驗波形，依次為開關(guān)頻率等于諧振頻率、開關(guān)頻率小于諧振頻率、開關(guān)頻率大于諧振頻率3種不同情況下的諧振電流波形。同時測量半橋中點的電壓波形以便于觀察開關(guān)頻率的變化。實驗結(jié)果說明了開關(guān)管實現(xiàn)了零電壓開通。

圖8 諧振實驗波形

為了改善系統(tǒng)性能，實現(xiàn)輸出電壓的穩(wěn)定，在系統(tǒng)中采用改進(jìn)的數(shù)字PI閉環(huán)控制以維持輸出電壓穩(wěn)定。圖9所示為突增負(fù)載和突減負(fù)載時的輸出電壓波形，體現(xiàn)了閉環(huán)控制的穩(wěn)定性和快速性。

圖9 閉環(huán)實驗波形

3 結(jié) 語

本文采用碳化硅新型功率器件設(shè)計了一套LLC諧振變換器實驗平臺。該平臺能夠?qū)崿F(xiàn)功率管的零電壓開關(guān)和整流管的零電流開關(guān)，降低損耗、提高效率，能夠服務(wù)于我校電氣工程專業(yè)本科生課程“電力電子技術(shù)”和研究生課程“現(xiàn)代電力電子技術(shù)”的教學(xué)。該實驗平臺有助于學(xué)生深入理解電力電子電路的原理和設(shè)計，掌握電力電子系統(tǒng)設(shè)計方法，熟悉新型電力電子器件的應(yīng)用，了解學(xué)科前沿知識，有效提高學(xué)生的硬件設(shè)計和軟件開發(fā)能力。