一種基于LLC諧振變換器的中壓直流電源技術(shù)研究

任雪峰

(海軍裝備部駐南京地區(qū)第二軍事代表室，南京 211153)

0 引 言

21世紀(jì)是信息化的時(shí)代。信息化的快速發(fā)展使得人們對(duì)于電子設(shè)備、產(chǎn)品的依賴(lài)性越來(lái)越大，而這些電子設(shè)備、產(chǎn)品都離不開(kāi)電源。經(jīng)過(guò)幾十年的發(fā)展，大功率開(kāi)關(guān)電源技術(shù)越來(lái)越趨于成熟。它具有體積小、效率高的特點(diǎn)，已經(jīng)逐步替代了傳統(tǒng)的、效率較低的線性電源和相控電源。大功率開(kāi)關(guān)電源組件安裝在各種設(shè)備上，為設(shè)備供電，其性能和可靠性直接影響設(shè)備的性能和任務(wù)的完成。大功率中壓直流電源主要為相控陣?yán)走_(dá)天線陣面提供供電，具備效率高、電網(wǎng)調(diào)整率低、負(fù)載調(diào)整率低、穩(wěn)壓精度高、電磁兼容性好等特點(diǎn)。

1 電源架構(gòu)設(shè)計(jì)

基于智能編程技術(shù)的中壓直流電源拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)見(jiàn)圖1。中壓直流電源包含EMI濾波電路、PFC電路、LLC諧振變換器、輸出整流濾波電路、PFC控制電路、LLC控制電路、輔助電源等部分，中壓直流電源同時(shí)還具備均流、熱插拔、通信、監(jiān)控和故障保護(hù)等功能。

三相輸入交流電先經(jīng)過(guò)EMI濾波電路抑制電網(wǎng)上的噪聲，再經(jīng)過(guò)三相三電平PFC電路，通過(guò)PWM調(diào)制控制輸入電流與輸入電壓同相同頻，同時(shí)將三相交流電轉(zhuǎn)換為高壓直流電。LLC諧振變換器通過(guò)PFM調(diào)制將高壓直流電轉(zhuǎn)換為高頻高壓交流電，再經(jīng)過(guò)全波整流電路轉(zhuǎn)換為隔離的高壓直流電輸出。[1]

2 電源電路實(shí)現(xiàn)

2.1 PFC功率因數(shù)校正

2.1.1 PFC功率因數(shù)校正原理

三相PFC工作原理圖如圖2所示。

圖1 中壓直流電源拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

圖2 三相PFC 工作原理圖

電路開(kāi)關(guān)器件MOSFET、PFC整流二極管工作在軟開(kāi)關(guān)(如ZVS)狀態(tài)下具有效率高、電磁干擾小等優(yōu)點(diǎn)[2]。其工作原理如下：以A相橋臂為例，當(dāng)雙向MOSFET管開(kāi)關(guān)SW1開(kāi)通時(shí)，整流器的輸入端電壓被鉗位于直流母線中點(diǎn)，電感電流絕對(duì)值上升；當(dāng)雙向MOSFET管開(kāi)關(guān)SW1關(guān)斷時(shí)，整流器的輸入端電壓為+Vdc/2或-Vdc/2，電壓極性由A相電流的極性決定，電感電流絕對(duì)值下降。因此，A相橋臂有3個(gè)開(kāi)關(guān)狀態(tài)“1”、“0”、“-1”。整流器的輸入端被分別鉗位于直流母線的正極、中點(diǎn)和負(fù)極，并由此控制輸入電流的幅值大小和方向。依次類(lèi)推，可以對(duì)B、C相進(jìn)行相應(yīng)分析。該電路拓?fù)渲鏖_(kāi)關(guān)承受的電壓是輸出電壓的1/2，無(wú)直流輸出電壓直通問(wèn)題，控制和驅(qū)動(dòng)電路簡(jiǎn)單，其中每相的開(kāi)關(guān)采取MOSFET管共源極的雙向開(kāi)關(guān)形式。當(dāng)雙向開(kāi)關(guān)開(kāi)通時(shí)，假如電流流過(guò)左側(cè)MOS管，則右側(cè)MOS管處于同步整流狀態(tài)。所以，當(dāng)其關(guān)斷時(shí)，幾乎沒(méi)有反向恢復(fù)電流。因此，該拓?fù)涞恼麟娐房梢怨ぷ髟谳^高的開(kāi)關(guān)頻率下。

PFC電路包含以下幾部分：輸入保護(hù)及浪涌抑制部分、PFC功率變換部分、PFC輸出濾波部分、DSP控制及信號(hào)采集處理部分。

輸入保護(hù)及浪涌抑制部分由限流電阻、繼電器、輔助控制電路組成。開(kāi)機(jī)時(shí)，先通過(guò)限流電阻對(duì)輸入濾波電容充電，適當(dāng)?shù)剡x擇限流電阻可以限制電源開(kāi)機(jī)瞬間的最大浪涌電流。等濾波電容充滿電后，繼電器動(dòng)作，使限流電阻短路，電源正常輸出功率。

PFC功率變換部分包括BOOST電感、開(kāi)關(guān)管、升壓二極管和儲(chǔ)能電容，把輸入三相交流電變換成穩(wěn)定的直流電，并對(duì)其諧波失真進(jìn)行校正處理，使得輸入的功率因數(shù)滿足技術(shù)要求。PFC輸出濾波部分的共模電感和其前后的濾波電容可以抑制電源本身對(duì)輸出的高頻干擾。輸出儲(chǔ)能電容用于滿足輸出直流電壓的紋波與跌落范圍的要求。[3]

DSP控制電路及信號(hào)采集處理部分采集電源的內(nèi)部溫度及輸入輸出電壓電流信號(hào)進(jìn)行運(yùn)算處理，分別對(duì)電源輸入缺相/過(guò)欠壓、輸出過(guò)壓、輸入/輸出過(guò)流/短路、功率器件過(guò)溫等保護(hù)功能實(shí)行控制。輸出故障信號(hào)通過(guò)LED指示告警。采集電壓電流信號(hào)對(duì)其失真度、幅值、相位進(jìn)行分析運(yùn)算處理，輸出可控的PWM信號(hào)到PFC驅(qū)動(dòng)電路。PWM信號(hào)放大后控制PFC功率變換電路，實(shí)施升壓、諧波補(bǔ)償、功率因數(shù)校正及輸出穩(wěn)壓等功能。電源開(kāi)關(guān)信號(hào)進(jìn)入DSP控制電路實(shí)施開(kāi)關(guān)機(jī)控制，關(guān)機(jī)時(shí)關(guān)斷PFC輸出電壓，開(kāi)機(jī)時(shí)輸出PFC輸出電壓。

2.1.2 PFC軟件設(shè)計(jì)

PFC采用DSP編程。DSP 采樣電流、電壓信號(hào)進(jìn)行 SVPWM 算法控制，生成驅(qū)動(dòng)信號(hào)。整個(gè)系統(tǒng)的工作狀況可以劃分為幾種模式：

(1) 模式1：對(duì)整個(gè)系統(tǒng)進(jìn)行檢測(cè)，接收到開(kāi)始信號(hào)；

(2) 模式2：完成環(huán)路計(jì)算和坐標(biāo)變換，完成SVPWM計(jì)算；

(3) 運(yùn)行模式：整個(gè)系統(tǒng)處于運(yùn)行狀態(tài)，在正常情況下輸出驅(qū)動(dòng)信號(hào)；

(4) 停止模式：遇到錯(cuò)誤或收到停機(jī)指令封鎖驅(qū)動(dòng)信號(hào)，整個(gè)系統(tǒng)進(jìn)入停機(jī)狀態(tài)，繼電器斷開(kāi)。

PFC部分DSP軟件設(shè)計(jì)采取“循環(huán)+中斷”的控制結(jié)構(gòu)。系統(tǒng)主程序首先進(jìn)行系統(tǒng)初始化，然后對(duì)各種功能模塊進(jìn)行配置。當(dāng)系統(tǒng)檢測(cè)沒(méi)有錯(cuò)誤后閉合繼電器；如檢測(cè)到系統(tǒng)錯(cuò)誤則產(chǎn)生中斷，進(jìn)入中斷服務(wù)子程序。

主程序主要執(zhí)行系統(tǒng)控制指令檢測(cè)和故障檢測(cè)，但環(huán)路計(jì)算、區(qū)間判斷、矢量作用時(shí)間計(jì)算、分配、PWM 驅(qū)動(dòng)等程序都需要在中斷子程序中完成，其中關(guān)鍵的是AD中斷子程序。

PWM計(jì)時(shí)周期就是開(kāi)關(guān)周期45 kHz。PWM的定時(shí)中斷可以作為每一個(gè)環(huán)節(jié)的計(jì)時(shí)器，使整個(gè)系統(tǒng)可以同步工作。PWM周期起始時(shí)刻，PWM模塊觸發(fā)AD轉(zhuǎn)換。經(jīng)過(guò)AD處理后觸發(fā)一次DSP中斷。中斷期間對(duì)結(jié)果進(jìn)行計(jì)算處理后將新占空比賦值給PWM中的影子比較寄存器。在下一個(gè) PWM 周期到來(lái)時(shí)對(duì)比較寄存器重載，獲得PWM驅(qū)動(dòng)脈沖信號(hào)，并繼續(xù)觸發(fā)下一次AD采集，不斷地重復(fù)上述過(guò)程。

2.2 LLC諧振變換器

2.2.1 LLC諧振變換器原理

LLC諧振變換器主電路如圖3所示。電感L1、變壓器T1和C1A、C1B組成諧振網(wǎng)絡(luò)，其輸入電壓為受Q1、Q2控制的方波。MOS 管Q1、Q2 占空比均為50%，Q1和Q2驅(qū)動(dòng)信號(hào)之間存在一定死區(qū)，防止Q1、Q2直通。通過(guò)調(diào)整Q1、Q2控制信號(hào)的頻率，改變輸入到諧振網(wǎng)絡(luò)的方波電壓的頻率，從而改變諧振網(wǎng)絡(luò)中各元器件基波分量，穩(wěn)定輸出電壓。

2.2.2 LLC諧振變換器軟件設(shè)計(jì)

LLC諧振變換器軟件采用DSP編程。主程序完成初始化，然后等待中斷。首先是系統(tǒng)控制初始化，主要完成設(shè)置鎖相環(huán)、 看門(mén)狗外設(shè)時(shí)鐘。 接著是GPIO口的初始化，主要是設(shè)置各個(gè)口的功能、初始狀態(tài)、數(shù)據(jù)傳輸方向等。然后是PIE中斷擴(kuò)展的初始化，主要是初始化PIE 控制寄存器，禁止所有CPU中斷和PIE中斷，清除標(biāo)志位，初始化PIE向量表。最后是所有外設(shè)模塊的初始化，主要包括ADC模塊和EPWM模塊中關(guān)鍵寄存器的設(shè)置。

圖3 LLC諧振變換器主電路圖

根據(jù)交錯(cuò)控制的需要發(fā)出兩路驅(qū)動(dòng)波形，而且要保證這兩路驅(qū)動(dòng)波形的頻率一致，相位相差90°。電源模塊LLC控制采用EPWM1和EPWM2分別給主路和輔路發(fā)驅(qū)動(dòng)波形。為實(shí)現(xiàn)交錯(cuò)控制，把兩個(gè)EPWM作同步處理，EPWM1作為主模塊，而EPWM2作為輔模塊，保持一定相位關(guān)系。

在 A/D 中斷中，完成軟件濾波、軟啟動(dòng)、數(shù)字運(yùn)算、過(guò)壓保護(hù)等功能。應(yīng)用EPWM3啟動(dòng)A/D轉(zhuǎn)換，采樣頻率為100 kHz。采樣值在轉(zhuǎn)換完成后開(kāi)始A/D中斷，執(zhí)行相應(yīng)的程序。

2.3 輔助功能設(shè)計(jì)

2.3.1 監(jiān)控功能

電源監(jiān)控的目的是在線監(jiān)測(cè)電源的工作狀態(tài)，獲取電源工作中的電壓、電流、溫度等信息，以及電源自身的狀態(tài)、故障信息，并通過(guò)CAN通信總線將電源的狀態(tài)信息上報(bào)給上位機(jī)，方便使用和維護(hù)人員對(duì)電源狀態(tài)進(jìn)行判斷、檢修。同時(shí)，電源監(jiān)控單元通過(guò)CAN通訊總線接收上位機(jī)發(fā)出的指令，實(shí)現(xiàn)對(duì)電源遠(yuǎn)程控制功能。

2.3.2 保護(hù)功能

電源設(shè)計(jì)了各種保護(hù)電路，以確保電源可靠工作以及保護(hù)電源負(fù)載的用電安全。電源除了具有恒壓恒流功能，還具有輸入過(guò)流、輸出過(guò)壓、過(guò)溫等保護(hù)功能。

(1) 輸入過(guò)流保護(hù)功能

通過(guò)電流互感器將輸入的電流信號(hào)采樣后轉(zhuǎn)變成電壓信號(hào)，如果負(fù)載電流超出額定范圍造成輸入過(guò)流，則關(guān)斷電源輸出，起到保護(hù)電源的作用。

(2) 輸出過(guò)壓保護(hù)功能

輸出過(guò)壓保護(hù)的主要目的是保證電源的負(fù)載能夠正常工作。當(dāng)電壓高于設(shè)定值時(shí)，關(guān)斷電源輸出，有效保護(hù)電源和負(fù)載。針對(duì)系統(tǒng)保護(hù)的可靠性，電源內(nèi)部設(shè)置了軟件和硬件兩種保護(hù)措施。這兩種保護(hù)措施是相互獨(dú)立的，一種電路失效都不會(huì)影響到另一種保護(hù)電路的正常工作。

(3) 過(guò)溫保護(hù)功能

電源采用液冷卻方式。在工作過(guò)程中，如液冷系統(tǒng)發(fā)生故障會(huì)造成熱量無(wú)法及時(shí)散發(fā)，此時(shí)若無(wú)過(guò)溫保護(hù)必然會(huì)損壞電源。因此，采用溫度傳感器檢測(cè)冷板溫度。當(dāng)冷板溫度超過(guò)保護(hù)溫度時(shí)，電源內(nèi)部保護(hù)電路將電源關(guān)機(jī)；當(dāng)冷板溫度降至保護(hù)溫度以下時(shí)，保護(hù)電路解除過(guò)熱保護(hù)，電源重新開(kāi)機(jī)，進(jìn)入正常工作狀態(tài)。

2.3.3 熱插拔功能

電源組件多機(jī)并聯(lián)使用中，由于電源組件輸出端通常接有較大電容，如果直接進(jìn)行在線更換，將引起輸出母線上電壓較大波動(dòng)，從而影響系統(tǒng)對(duì)負(fù)載正常供電，同時(shí)還會(huì)引起連接器插針間產(chǎn)生飛弧。熱拔插的實(shí)現(xiàn)通常采用隔離的方式，讓組件完成啟動(dòng)前其輸出端電容與母線隔離開(kāi)。本電源為高壓、小電流輸出，采用二極管隔離。當(dāng)電源插入未完成緩啟動(dòng)時(shí)，母線電壓高于輸出電容電壓，此時(shí)二極管截止，使輸出電容和母線隔離；當(dāng)組件完成緩啟動(dòng)后，輸出電容電壓高于母線電壓時(shí)二極管導(dǎo)通，正常輸出電流。

2.3.4 并聯(lián)功能

為了提高電源供電系統(tǒng)的可靠性，一般會(huì)采取多個(gè)電源集中并聯(lián)供電的供電方案。電源組件可組成N臺(tái)并聯(lián)系統(tǒng)。當(dāng)每個(gè)機(jī)柜中有一臺(tái)電源出現(xiàn)故障時(shí)，其余電源自動(dòng)增加輸出功率，保證能夠提供負(fù)載所需的功率，不會(huì)影響整個(gè)系統(tǒng)的正常工作。這樣當(dāng)每個(gè)機(jī)柜中的電源均正常工作時(shí)，每個(gè)電源組件的輸出功率將平均分配負(fù)載功率。由于電源組件是降額使用，提高了電源組件的工作可靠性，系統(tǒng)可靠性相應(yīng)提高。

為了可靠地實(shí)現(xiàn)多路電源組件的并聯(lián)工作，最重要的是解決各個(gè)電源組件的均流問(wèn)題，以保證各電源組件之間電流應(yīng)力和熱應(yīng)力均勻分配，防止一部或多部電源工作在電流極限狀態(tài)。由于并聯(lián)運(yùn)行的各個(gè)組件特性并不一致，某一組件可能分擔(dān)更多的電流，甚至過(guò)載，從而使某些外特性較差的組件運(yùn)行于輕載甚至空載，其結(jié)果必然是分擔(dān)電流多的組件熱應(yīng)力大，降低該組件的工作可靠性。

自動(dòng)均流技術(shù)是常用的硬件電流均流技術(shù)之一。該方法是通過(guò)均流總線和相并聯(lián)各電源間電流信號(hào)的比較獲得相應(yīng)修正量，來(lái)調(diào)整電源組件的PWM信號(hào)寬度，實(shí)現(xiàn)各單元電源間電流均勻分配的。

每個(gè)電源組件內(nèi)部都有并聯(lián)均流控制電路，通過(guò)多個(gè)電源組件的并聯(lián)可組成大功率電源系統(tǒng)。電源組件的并聯(lián)電路分兩部分，粗調(diào)整由單機(jī)硬件實(shí)現(xiàn)，精確調(diào)整采用DSP 運(yùn)算均流電路。電源組件間通信采用數(shù)字信號(hào)進(jìn)行，對(duì)各電源組件電流進(jìn)行求和平均，再加PID處理，調(diào)整各電源組件的電流，保證均流精度。電源組件輸出端設(shè)計(jì)有二極管隔離，并聯(lián)模塊中任何一個(gè)模塊出現(xiàn)故障其他模塊仍能正常工作，提高了電源系統(tǒng)的工作可靠性。

3 電源性能驗(yàn)證及試驗(yàn)結(jié)果

根據(jù)以上方法，研制了包含6臺(tái)中壓直流電源的電源機(jī)柜。該電源機(jī)柜為某相控陣?yán)走_(dá)供電系統(tǒng)中的一次電源，為雷達(dá)天線面陣提供550 V的直流電。電源機(jī)柜需提供45 kW的輸出功率。因此，采用了6臺(tái)中壓直流電源并聯(lián)工作的方式，5加1冗余熱備份工作，每臺(tái)中壓直流電源輸出功率約10 kW(550 V/18 A)。

中壓直流電源技術(shù)指標(biāo)如下：輸入三相三線380 V、50 Hz，輸出550 V、18 A；效率≥92%(40%以上范圍)；功率因數(shù)≥0.98(滿載)；電網(wǎng)調(diào)整率≤1%(線網(wǎng)電壓變化±10%)；負(fù)載調(diào)整率≤1%(空載-滿載)。

對(duì)中壓直流電源進(jìn)行了測(cè)試驗(yàn)證，測(cè)試數(shù)據(jù)如表1所示。

表1 單臺(tái)中壓直流電源測(cè)試數(shù)據(jù)

從測(cè)試數(shù)據(jù)可以看出，中壓直流電源的各項(xiàng)關(guān)鍵指標(biāo)都達(dá)到了設(shè)計(jì)目標(biāo)，均優(yōu)于指標(biāo)要求，具備效率高、電網(wǎng)調(diào)整率低、負(fù)載調(diào)整率低、電磁兼容性好的優(yōu)點(diǎn)。

對(duì)6臺(tái)中壓直流電源進(jìn)行了并聯(lián)測(cè)試，測(cè)試數(shù)據(jù)如表2所示。從并聯(lián)測(cè)試數(shù)據(jù)可以看出，在50%至滿載范圍內(nèi)能將均流誤差控制在5%以?xún)?nèi)，而其他負(fù)載條件下可以將均流誤差控制在10%以?xún)?nèi)。

表2 中壓直流電源并聯(lián)測(cè)試數(shù)據(jù)

4 結(jié)束語(yǔ)

經(jīng)過(guò)各項(xiàng)試驗(yàn)驗(yàn)證表明，本文提出的基于智能編程技術(shù)中壓直流電源具備效率高、電網(wǎng)調(diào)整率低、負(fù)載調(diào)整率低、穩(wěn)壓精度高、電磁兼容性好等特點(diǎn)，能夠滿足預(yù)定的設(shè)計(jì)目標(biāo)要求。下一步研究方向?yàn)殡娫唇M件的組合分配控制網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)，從而進(jìn)一步提升大功率相控陣?yán)走_(dá)供電系統(tǒng)的任務(wù)可靠性。