基于碳化硅新型功率器件的LLC諧振變換器實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

馮興田， 邵 康， 黃遠(yuǎn)勝

(中國(guó)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(kāi)關(guān)電路是在電路開(kāi)通或者斷開(kāi)前，先讓開(kāi)關(guān)管的電流或者電壓降低為零。這樣可有效減小開(kāi)關(guān)損耗，提高電路電能的利用率。軟開(kāi)關(guān)一般采用電感和電容，利用諧振的方式實(shí)現(xiàn)，以達(dá)到開(kāi)關(guān)過(guò)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(kāi)關(guān)電路不能適用于開(kāi)關(guān)頻率高的電路中，軟開(kāi)關(guān)技術(shù)得到了廣泛的關(guān)注與研究。軟開(kāi)關(guān)技術(shù)的利用不僅解決了開(kāi)關(guān)損耗嚴(yán)重的問(wèn)題和開(kāi)關(guān)過(guò)程中電路易振蕩的問(wèn)題，而且也有利于開(kāi)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(chǎng)強(qiáng)、高飽和電子漂移速率、高熱導(dǎo)率等優(yōu)點(diǎn)，可以實(shí)現(xiàn)高壓、大功率、高頻、高溫的應(yīng)用器件。通過(guò)系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計(jì)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(duì)應(yīng)用于分布式電源與微網(wǎng)場(chǎng)合的光伏逆變器、儲(chǔ)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(shì)[9-15]，本文采用數(shù)字信號(hào)處理器TMS320F28377S作為控制器，設(shè)計(jì)了驅(qū)動(dòng)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(shí)驗(yàn)平臺(tái)。

1 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)設(shè)計(jì)與開(kāi)發(fā)

基于碳化硅功率器件的LLC諧振變換器實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)包括硬件設(shè)計(jì)和軟件開(kāi)發(fā)兩大部分。硬件設(shè)計(jì)包括主電路、驅(qū)動(dòng)電路、電壓采樣調(diào)理以及供電電路的設(shè)計(jì)；軟件開(kāi)發(fā)針對(duì)數(shù)字信號(hào)處理器TMS320F28377S的資源和變換器的要求進(jìn)行程序開(kāi)發(fā)。

1.1 實(shí)驗(yàn)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(gè)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(dòng)電路，負(fù)責(zé)能量的轉(zhuǎn)換；數(shù)字控制部分包括信號(hào)采集調(diào)理電路、供電電路和DSP外圍電路，實(shí)現(xiàn)驅(qū)動(dòng)信號(hào)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(gè)MOSFET開(kāi)關(guān)管Q1、Q2產(chǎn)生占空比接近50%的方波，D1、D2分別為兩個(gè)MOSFET開(kāi)關(guān)管的體二極管，C1和C2是MOS管的寄生電容；變壓器勵(lì)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(shí)，原邊被副邊輸出電壓嵌位，勵(lì)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(shí)諧振頻率為：

(1)

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

(2)

兩個(gè)諧振頻率關(guān)系為fr2fr1，fr2

1.2 主控系統(tǒng)設(shè)計(jì)

本文采用TMS320F28377S浮點(diǎn)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(duì)每個(gè)通道獨(dú)立設(shè)置，各通道之間相互依賴(lài)低，因此應(yīng)用起來(lái)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(kāi)關(guān)管的開(kāi)關(guān)頻率。使用ePWM模塊產(chǎn)生開(kāi)關(guān)管的驅(qū)動(dòng)信號(hào)。在ePWM模塊中只需要修改時(shí)間基準(zhǔn)子模塊中時(shí)基周期寄存器(TBPRD)和計(jì)數(shù)器比較子模塊中比較寄存器(CMPA、CMPB)就可以同時(shí)改變PWM的頻率和占空比。本文選用遞增計(jì)數(shù)模式，在動(dòng)作限定子模塊中選擇計(jì)數(shù)達(dá)到比較器A(CMPA)寄存器輸出置“1”，當(dāng)計(jì)數(shù)至周期時(shí)使輸出置“0”。由于半橋LLC諧振變換器的驅(qū)動(dòng)信號(hào)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(dòng)電路

單相半橋LLC諧振變換器通過(guò)改變開(kāi)關(guān)管的頻率實(shí)現(xiàn)對(duì)輸出電壓的控制，開(kāi)關(guān)管的驅(qū)動(dòng)信號(hào)來(lái)自于DSP，DSP輸出高電平時(shí)電壓只有3.3 V，能輸出的最大驅(qū)動(dòng)電流只有20 mA，難以驅(qū)動(dòng)MOS管導(dǎo)通，因此需增加驅(qū)動(dòng)電路。IR2110是一種雙通道高壓、高速電壓型功率開(kāi)關(guān)器件柵極驅(qū)動(dòng)器，具有自舉浮動(dòng)電源，驅(qū)動(dòng)電路十分簡(jiǎn)單，只用一個(gè)電源可同時(shí)驅(qū)動(dòng)上下橋臂，兼有光耦隔離和電磁隔離的優(yōu)點(diǎn)。選用IR2110設(shè)計(jì)驅(qū)動(dòng)電路如圖2所示，在邏輯電平側(cè)采用5 V供電，驅(qū)動(dòng)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(shí)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(hào)轉(zhuǎn)換為控制芯片能檢測(cè)到的低于3.3 V的電壓信號(hào)。額定輸出電壓設(shè)計(jì)在10 V，因此先經(jīng)過(guò)調(diào)理電路將輸出電壓縮小到1/10，然后通過(guò)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(guò)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(hào)采樣調(diào)理電路。輸出電壓首先通過(guò)差分放大電路，差分放大電路的輸出經(jīng)過(guò)RC濾波網(wǎng)絡(luò)后，最后直接接入控制芯片的AD口。運(yùn)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(guò)高而導(dǎo)致AD口燒壞，具有一定的保護(hù)作用。

圖2 開(kāi)關(guān)管驅(qū)動(dòng)電路

圖3 電壓采樣調(diào)理電路

1.5 供電電源

IR2110驅(qū)動(dòng)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(jiàn)圖4。

圖4 供電電源電路

1.6 系統(tǒng)軟件開(kāi)發(fā)

系統(tǒng)軟件主要針對(duì)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(kāi)始計(jì)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(kāi)機(jī)，若沒(méi)有，繼續(xù)循環(huán)判斷；否則進(jìn)入是否啟動(dòng)判斷。如果已經(jīng)啟動(dòng)，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(guò)中值濾波后再調(diào)用PI子程序得到開(kāi)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(méi)有啟動(dòng)就進(jìn)入啟動(dòng)程序，用最大頻率啟動(dòng)，其占空比逐漸增大至0.5；當(dāng)占空比增至0.5時(shí)啟動(dòng)結(jié)束。

圖5 程序流程圖

2 變換器參數(shù)設(shè)計(jì)與實(shí)驗(yàn)

基于碳化硅功率器件的LLC諧振變換器設(shè)計(jì)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(shí)驗(yàn)系統(tǒng)電路實(shí)物圖。

為了避免系統(tǒng)剛開(kāi)機(jī)時(shí)啟動(dòng)電流過(guò)大而帶來(lái)危害，同時(shí)防止開(kāi)機(jī)初期進(jìn)入閉環(huán)引起沖擊。系統(tǒng)設(shè)計(jì)

圖6 實(shí)驗(yàn)電路實(shí)物圖

在剛開(kāi)機(jī)初期以30 kHz作為開(kāi)關(guān)頻率，占空比0.1作為啟動(dòng)占空比，隨后占空比逐漸增加至0.5時(shí)停止增加。圖7所示左圖為以20 kHz開(kāi)關(guān)頻率啟動(dòng)諧振電流波形，右圖為30 kHz開(kāi)關(guān)頻率變占空比啟動(dòng)時(shí)的諧振電流的波形，可以看出，30 kHz開(kāi)關(guān)頻率變占空比啟動(dòng)可以減小啟動(dòng)電流。

圖7 啟動(dòng)實(shí)驗(yàn)波形

圖8所示為針對(duì)不同頻率下的單相半橋LLC諧振變換器的實(shí)驗(yàn)波形，依次為開(kāi)關(guān)頻率等于諧振頻率、開(kāi)關(guān)頻率小于諧振頻率、開(kāi)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(shí)測(cè)量半橋中點(diǎn)的電壓波形以便于觀(guān)察開(kāi)關(guān)頻率的變化。實(shí)驗(yàn)結(jié)果說(shuō)明了開(kāi)關(guān)管實(shí)現(xiàn)了零電壓開(kāi)通。

圖8 諧振實(shí)驗(yàn)波形

為了改善系統(tǒng)性能，實(shí)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(shí)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(shí)驗(yàn)波形

3 結(jié) 語(yǔ)

本文采用碳化硅新型功率器件設(shè)計(jì)了一套LLC諧振變換器實(shí)驗(yàn)平臺(tái)。該平臺(tái)能夠?qū)崿F(xiàn)功率管的零電壓開(kāi)關(guān)和整流管的零電流開(kāi)關(guān)，降低損耗、提高效率，能夠服務(wù)于我校電氣工程專(zhuān)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(shí)驗(yàn)平臺(tái)有助于學(xué)生深入理解電力電子電路的原理和設(shè)計(jì)，掌握電力電子系統(tǒng)設(shè)計(jì)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(shí)，有效提高學(xué)生的硬件設(shè)計(jì)和軟件開(kāi)發(fā)能力。