基于数字控制的LLC谐振变换器设计与研究

基于数字控制的LLC谐振变换器设计与研究

毛鹏 王相峰

洛阳隆盛科技有限责任公司

摘要：随着电力电子技术的不断发展，开关电源逐渐向着高频化、小型化、高效化以及高功率密度的方向发展。然而，随着开关频率的提高，系统的开关损耗会制约开关电源的效率及功率密度的提升。LLC谐振变换器能够在不增加开关损耗的前提下提高系统的开关频率，同步整流技术能够显著降低输出侧的损耗，较大程度提高变换器的效率。因此，对LLC谐振变换器和同步整流技术的研究很有必要

关键词：数字控制；LLC谐振变换器；设计

引言

随着电力电子技术的不断发展，LLC谐振变换器在众多领域得到广泛应用。在现代电源系统中，对变换器的效率、稳定性和精确控制有着更高要求。基于数字控制的LLC谐振变换器设计成为研究热点。数字控制能够实现复杂的控制策略，提升变换器性能。本研究旨在深入探讨其设计原理、优势、设计等方面内容，为高效、稳定的LLC谐振变换器的开发提供理论依据和实践指导。

1LLC谐振变换器工作原理

1.1基本电路结构

LLC谐振变换器主要由输入直流电源、功率开关管（通常为MOSFET）、谐振网络（包括电感、电容）、变压器和输出整流滤波电路等组成。其中，谐振网络是其核心部分，通过电感和电容的谐振特性来实现能量的高效传输。

1.2工作模式分析

1.2.1变频控制模式

在变频控制模式下，开关频率是变化的。当开关频率高于谐振频率时，LLC谐振变换器工作在感性区域。此时，输入电流滞后于输入电压，变压器初级侧的电流波形呈现出近似正弦波的形状。随着开关频率的升高，变换器的增益逐渐减小。当开关频率低于谐振频率时，变换器工作在容性区域。在这个区域内，输入电流超前于输入电压，并且会产生较大的环流，导致效率降低和元件应力增加。因此，在实际应用中，通常避免LLC谐振变换器工作在容性区域。当开关频率等于谐振频率时，变换器工作在谐振状态，此时可以实现零电压开关（ZVS），大大降低了开关损耗，提高了变换器的效率。

1.2.2定频控制模式

定频控制模式下，开关频率保持不变。通过调节其他参数，如占空比等，来实现对输出电压的控制。这种模式下，需要精确的控制算法来保证在不同负载和输入电压条件下，变换器能够稳定工作并且保持较高的效率。

2数字控制在LLC谐振变换器中的优势

2.1灵活性

数字控制器可以通过软件编程实现多种控制算法，如比例-积分-微分（PID）控制、模糊控制、数字脉冲宽度调制（DPWM）等。不同的控制算法可以根据实际应用需求进行选择和切换，例如在对动态响应要求较高的场合可以采用模糊控制，而在对稳态精度要求较高的场合可以采用PID控制。数字控制能够方便地调整变换器的各种参数，如开关频率、占空比、死区时间等。

2.2精确性

数字控制具有更高的分辨率。例如，在数字脉冲宽度调制中，通过增加计数器的位数，可以提高占空比的分辨率，从而实现更精确的电压调节。这种精确性对于要求高精度输出电压的应用，如精密仪器电源、通信电源等非常重要。数字控制器可以对传感器采集的数据进行更精确的处理。

2.3可扩展性

数字控制平台可以方便地添加新的功能模块。例如，可以通过添加通信接口模块，实现变换器的远程监控和控制。在智能电网、分布式电源系统等应用场景中，这种远程控制功能非常有必要。可以与其他数字系统进行集成。例如，在一个包含多个电源变换器的大型电力电子系统中，基于数字控制的LLC谐振变换器可以与其他数字控制设备（如微控制器、数字信号处理器等）进行协同工作，实现系统级的优化控制。

3基于数字控制的LLC谐振变换器设计

3.1电路参数计算

设计基于数字控制的LLC谐振变换器时，要先计算谐振网络参数。谐振频率的选择关键且需考虑开关频率范围与变压器特性，一般在几十千赫兹到几百千赫兹间，之后根据输入电压、输出电压和功率要求算变压器匝数比，这关系到能量转换并受占空比影响。确定谐振频率和匝数比后，结合电路拓扑与性能要求确定谐振电感和电容数值。功率开关管和整流器的选择也很重要。依据输入电压、输出电压和最大输出功率来选功率开关管，要考虑耐压、额定电流和导通电阻等，LLC谐振变换器中MOSFET因导通电阻低和开关速度快常被选用。输出整流器的选择要根据输出电压、电流和整流方式确定，低电压、大电流输出时，同步整流器可提高效率、减少损耗。这些计算和选型能确保变换器高效稳定运行。

3.2数字控制器选型与编程

在基于数字控制的LLC谐振变换器设计里，数字控制器选型与编程很关键。选型要依据控制要求，常见有MCU、DSP和FPGA。成本敏感且算法简单时，8位或16位MCU可满足基本需求；要实现复杂算法如高级数字信号处理算法，DSP更合适，其运算和处理能力强；FPGA适合高度定制化与并行处理，如多相变换器中可提升性能。编程实现方面，以PID算法为例，先确定比例、积分、微分系数（可通过多种方式确定），然后在控制器中编程实现其离散化形式，利用定时器和中断设采样周期，采样输出电压和电流代入算法得控制输出。

4实验验证

4.1实验平台搭建

构建基于数字控制的LLC谐振变换器实验电路，包括输入直流电源、功率开关管电路、谐振网络、变压器、输出整流滤波电路和数字控制器等部分。

选用合适的测试仪器，如示波器、功率分析仪等，用于测量输入输出电压、电流、功率和开关波形等参数。

4.2实验结果分析

4.2.1效率测试

在不同负载条件下（轻载、半载和满载），测量基于数字控制的LLC谐振变换器的效率。实验结果表明，在满载情况下，变换器的效率可以达到90%以上，并且在轻载时也能保持相对较高的效率，这得益于数字控制能够根据负载情况优化开关频率和占空比等参数。

4.2.2输出电压稳定性

通过改变输入电压（在一定范围内波动），观察输出电压的变化情况。实验发现，数字控制的LLC谐振变换器能够将输出电压的波动控制在很小的范围内，例如，输出电压的相对波动小于±1%，这是由于数字控制器能够快速准确地调整控制参数以维持输出电压的稳定。

4.2.3动态响应测试

突然改变负载大小，观察输出电压的恢复时间和超调量。实验结果显示，基于数字控制的LLC谐振变换器具有较好的动态响应特性，输出电压的恢复时间较短（例如，在几百微秒以内），超调量也较小（一般小于10%），这是因为数字控制可以实现更灵活的控制策略来应对负载的突变。

结束语

本文详细阐述了基于数字控制的LLC谐振变换器的设计与研究。通过对LLC谐振变换器工作原理的分析，明确了其在不同工作模式下的特性。深入探讨了数字控制在LLC谐振变换器中的优势，包括灵活性、精确性和可扩展性等方面。这些优势使得数字控制的LLC谐振变换器在各种电源应用场景中具有更好的性能表现。通过实验验证了基于数字控制的LLC谐振变换器在效率、输出电压稳定性和动态响应等方面的良好性能，证明了数字控制技术在LLC谐振变换器中的有效性。

参考文献

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