LLC 半橋諧振電路設(shè)計(jì)的優(yōu)化探討

魏永志

（呼和浩特市地鐵運(yùn)營(yíng)有限公司，內(nèi)蒙古呼和浩特 010010）

邏輯鏈路控制（Logical Link Control，LLC）半橋諧振電路的工程意義為，使用電容器、電抗器構(gòu)建諧振腔回路，控制晶閘管開(kāi)合過(guò)程中晶閘管兩側(cè)的電能分布情況，實(shí)現(xiàn)控制電路的電壓電平控制[1-2]。實(shí)際工程部署中，晶閘管本身存在一定的電能消耗，在家用電器等常規(guī)模擬電路中，該電能消耗過(guò)程可忽略不計(jì)，但如果將半橋諧振電路應(yīng)用于高精密儀器、數(shù)字計(jì)算電路供電等，該過(guò)程會(huì)對(duì)后置系統(tǒng)帶來(lái)較為嚴(yán)重的干擾，導(dǎo)致后置電路在晶閘管開(kāi)合過(guò)程中出現(xiàn)短暫失穩(wěn)[3]。

因?yàn)榫чl管電能消耗過(guò)程在理論上完全不可避免，該研究重點(diǎn)探討對(duì)LLC 板橋諧振電路中晶閘管的自身能量消耗電壓電平影響的控制效果[4]。

1 問(wèn)題的提出

LLC 半橋諧振電路的一般邏輯，是在晶閘管前后布置電容器、電抗器形成諧振腔吸收電路，用于平衡晶閘管開(kāi)合時(shí)對(duì)前后電路中電壓電平帶來(lái)的擾動(dòng)，使其開(kāi)合過(guò)程的電壓電平表現(xiàn)更為平穩(wěn)，而該技術(shù)帶來(lái)另一個(gè)問(wèn)題，即增加的電容器、電抗器、二極管等電子元件自身也帶來(lái)一定的能耗，會(huì)進(jìn)一步加重開(kāi)關(guān)電路的電能消耗。即使用LLC 半橋諧振電路后，晶閘管開(kāi)關(guān)帶來(lái)的電路擾動(dòng)更為平穩(wěn)，但擾動(dòng)量會(huì)加大。LLC 半橋諧振電路的一般結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 LLC半橋諧振電路的一般結(jié)構(gòu)

圖1 中，電源模塊可以來(lái)自整流器、電池組等任何形式的直流電源，該研究在仿真過(guò)程中，設(shè)定其為等壓直流電壓型電源，而一般設(shè)計(jì)思路下，諧振電路中不一定配備C、C0、D1、D0、L1等全部控制元件，最小化的LLC 半橋諧振電路僅配置圖1 中的C、C0與L1即可完成基本控制功能，而該研究設(shè)計(jì)的LLC 半橋諧振電路中，不但配置了C、C0、D1、D0、L1等全部控制元件，且設(shè)定了C、C0、L1等具有可調(diào)整定值[5]。

仿真環(huán)境運(yùn)行在Matlab 下，加載模擬電路、模擬電源等相關(guān)控件，發(fā)現(xiàn)該控制回路的實(shí)際表現(xiàn)如圖2所示。圖2（a）為圖1 全部控制元件以固定且充分優(yōu)化整定值全部配置時(shí)的仿真結(jié)果，圖2（b）為L(zhǎng)LC 半橋諧振電路最小化配置時(shí)的仿真結(jié)果[6]。觀察圖2所示結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)，更為優(yōu)化的LLC 半橋諧振電路有效縮短了晶閘管開(kāi)合時(shí)的電量消耗時(shí)間窗口，且有效減少了晶閘管的電量消耗量，將晶閘管的電量消耗量向整個(gè)諧振腔轉(zhuǎn)移。常規(guī)設(shè)計(jì)中，利用LLC半橋諧振電路將晶閘管開(kāi)合控制從圖2（b）優(yōu)化至圖2（a）狀態(tài)后，可將電能質(zhì)量控制交給下一個(gè)模塊處理，但該研究中將利用全程可控的電容器、電抗器整定值對(duì)晶閘管開(kāi)合過(guò)程進(jìn)行更精細(xì)控制[7]。

圖2 晶閘管電流電壓及電量消耗情況仿真結(jié)果圖

2 可調(diào)整定值的諧振控制回路設(shè)計(jì)

該研究的核心創(chuàng)新點(diǎn)是對(duì)LLC 半橋諧振回路中的可控電容器和可控電抗器進(jìn)行智能化控制，使用一個(gè)IC 控制芯片，調(diào)用其22 個(gè)控制引腳，通過(guò)向晶閘管S 發(fā)出控制指令，且通過(guò)三個(gè)數(shù)模轉(zhuǎn)換器D/A 芯片向C、C0、L1發(fā)出控制指令，實(shí)現(xiàn)對(duì)晶閘管S 控制過(guò)程的有效優(yōu)化，智能化控制反饋數(shù)據(jù)來(lái)自LLC 半橋諧振回路的輸出端電流、電壓數(shù)據(jù)，經(jīng)過(guò)數(shù)模轉(zhuǎn)換器D/A 生成數(shù)字信號(hào)發(fā)送回IC 控制器。該控制邏輯如圖3 所示。

圖3 LLC板橋諧振電路控制回路邏輯圖

圖3 中，常規(guī)32 位單片機(jī)控制芯片IC 的輸入輸出總線共包含32 個(gè)引腳，用于與LLC 半橋諧振電路通信的引腳數(shù)量為22 個(gè)，仍有十個(gè)引腳富余，該組引腳引出四根鏈接NIC 總線（Network Interface Connection），實(shí)現(xiàn)與其他電路控制回路的相互交互，另有六個(gè)引腳用于接收晶閘管開(kāi)關(guān)（ON/OFF）信號(hào)和系統(tǒng)重置信號(hào)（RESET）。因?yàn)橐肓饲度胧娇刂葡到y(tǒng)，在傳統(tǒng)LLC 半橋諧振控制回路的基礎(chǔ)上增加了一個(gè)32 位嵌入式可編程控制芯片和五個(gè)數(shù)模轉(zhuǎn)換芯片，單純考察硬件成本，該研究改進(jìn)后的LLC 半橋諧振控制回路遠(yuǎn)高于傳統(tǒng)模式，所以，該研究改進(jìn)后的LLC 半橋諧振控制回路用于高精密儀器控制、航空航天控制、高穩(wěn)定性需求的重機(jī)械控制等領(lǐng)域，無(wú)法支持在家用電器、桌面型計(jì)算機(jī)等領(lǐng)域的商業(yè)化用途。所以，該改進(jìn)LLC 半橋諧振控制回路的實(shí)際控制表現(xiàn)應(yīng)大幅度優(yōu)于傳統(tǒng)模式[8-9]。

3 可調(diào)整定值的諧振控制算法設(shè)計(jì)

3.1 外置神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法

圖3 中使用小規(guī)模32 位嵌入式芯片作為控制器，無(wú)法運(yùn)行LINUX 操作系統(tǒng)，僅可運(yùn)行簡(jiǎn)單控制算法，該研究中設(shè)計(jì)外置神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)機(jī)器學(xué)習(xí)系統(tǒng)，采用左右互搏算法（Self-Play Algorithm，SPA）順序控制程序，在嵌入芯片中執(zhí)行。即該研究中使用機(jī)器學(xué)習(xí)算法智能化設(shè)計(jì)控制策略，實(shí)際控制模塊中并不運(yùn)行機(jī)器學(xué)習(xí)程序，最大程度節(jié)約嵌入系統(tǒng)的算力需求。為了提升數(shù)據(jù)完備性，先需要提升數(shù)學(xué)模型維度，需要計(jì)算差值比，如式（1）所示：

將得出的差值比數(shù)列輸入到多項(xiàng)式深度迭代公式中（神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模塊均采用多項(xiàng)式深度迭代回歸節(jié)點(diǎn)函數(shù)，其基函數(shù)寫作公式），如式（2）所示：

多列神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)輸出的是[0,1]區(qū)間上的數(shù)據(jù)，這些數(shù)據(jù)沒(méi)有分布規(guī)律，所以需要進(jìn)行二值化處理，二值化函數(shù)的基函數(shù)（針對(duì)每套方案設(shè)計(jì)一個(gè)獨(dú)立的二值化神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模塊，形成二值化多列神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，二值化神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的節(jié)點(diǎn)基函數(shù)）如式（3）所示：

其中，e為自然常數(shù)，此處取近似值e=2.718 281 828；其他數(shù)學(xué)符號(hào)含義同前文式（2）。

左右互搏算法核心邏輯架構(gòu)如圖4 所示。

圖4 左右互搏算法邏輯架構(gòu)圖

圖4 中，較傳統(tǒng)左右互搏算法，該算法的策略生成部分采用隨機(jī)法而非神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法。其原因?yàn)閷?shí)際控制目標(biāo)難以有效量化，無(wú)法通過(guò)有限且可控的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)篩選最為有效的控制策略。而評(píng)價(jià)反饋過(guò)程中使用了一個(gè)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模塊構(gòu)建對(duì)LLC 半橋諧振模塊的動(dòng)作效果評(píng)價(jià)模型，通過(guò)評(píng)價(jià)控制過(guò)程中的系統(tǒng)能耗占用量獲得評(píng)價(jià)結(jié)果，在策略寄存中，比較當(dāng)前策略與之前策略，將較優(yōu)的結(jié)果存入策略寄存中，之后每次計(jì)量結(jié)果均與之前比較中的最優(yōu)結(jié)果進(jìn)行比較[10-11]。

3.2 策略寄存方案

策略存儲(chǔ)機(jī)制包括啟動(dòng)過(guò)程控制策略，包括S、C、C0、L1動(dòng)作狀態(tài)及動(dòng)作時(shí)序及策略編號(hào)，實(shí)際執(zhí)行中僅需要執(zhí)行該時(shí)序。每個(gè)動(dòng)作狀態(tài)是一個(gè)四位控制碼，保存在一個(gè)八位整形變量中，其中后四位為動(dòng)作狀態(tài)碼，前四位為開(kāi)關(guān)元件尋址碼，尋址方式如下：0010 為S 晶閘管，0100 為C電容器，0110 為C0電容器，1000 為L(zhǎng)1電抗器。具體數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)如圖5 所示。

圖5 控制策略集數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)示意圖

圖5 中，每行代表32 位數(shù)據(jù)，其中每個(gè)策略的前32 位為一個(gè)四字節(jié)長(zhǎng)整形策略編碼，策略編碼分為三段，第一段8 位記錄該策略對(duì)應(yīng)電壓值，第二段八位記錄該策略對(duì)應(yīng)的電流值，后16 位記錄該電壓電流對(duì)應(yīng)狀態(tài)中策略被更新的次數(shù)。隨后16 位為一個(gè)長(zhǎng)整形數(shù)據(jù)段，標(biāo)志整個(gè)策略集包含的時(shí)間戳數(shù)量，保留16 位空白后開(kāi)始記錄策略，之后每個(gè)操作點(diǎn)保存為二組32 位數(shù)據(jù)，每個(gè)時(shí)間戳占32 位，動(dòng)作策略占32 位，所有策略集記錄完畢后，保留16 位空白后，記錄16 位校驗(yàn)碼。校驗(yàn)碼分為四段，每段前三位為0，最后一位分別為全有效字段、頭部字段、所有時(shí)間戳字段、所有操作碼字段的奇偶校驗(yàn)結(jié)果。

小規(guī)模32 位嵌入系統(tǒng)應(yīng)執(zhí)行最小化的控制策略，該系統(tǒng)可以對(duì)改進(jìn)型LLC 半橋諧振電路提供足夠復(fù)雜的控制動(dòng)作。嵌入式控制器系統(tǒng)工作中，每次電路實(shí)際捕捉到的系統(tǒng)電壓、電流狀態(tài)，會(huì)在控制器中構(gòu)建空標(biāo)記點(diǎn)，維護(hù)人員定期拷貝這些空標(biāo)記點(diǎn)，在外置機(jī)器學(xué)習(xí)系統(tǒng)中重點(diǎn)展開(kāi)針對(duì)這些空標(biāo)記點(diǎn)的仿真模擬SPA 機(jī)器學(xué)習(xí)，直至優(yōu)選出充分收斂的控制策略集，并將其導(dǎo)入到系統(tǒng)中[12-13]。策略集向嵌入式控制器執(zhí)行導(dǎo)入時(shí)，如果存在重合的控制點(diǎn)，且策略集編碼第17-32 位的標(biāo)記碼大于原標(biāo)記碼，則覆蓋相應(yīng)標(biāo)記點(diǎn)[14]。

4 LLC半橋諧振電路設(shè)計(jì)的優(yōu)化結(jié)果

為了驗(yàn)證該系統(tǒng)對(duì)LLC 半橋諧振電路的控制效果，利用圖2 所示的統(tǒng)計(jì)研究方法，對(duì)使用該系統(tǒng)前后LLC 半橋諧振電路的實(shí)際電壓電流及能耗情況進(jìn)行分析，結(jié)果如圖6 所示。

圖6 使用該系統(tǒng)前后電壓、電流、能耗情況仿真結(jié)果圖

圖6（a）與圖2（a）相同，均為引入固定式半橋諧振吸收系統(tǒng)后的控制效果，該效果已經(jīng)較圖2（b）僅采用最小化半橋諧振吸收系統(tǒng)時(shí)有較顯著改善，即圖6（a）為常規(guī)設(shè)計(jì)思路下LLC 半橋諧振電路的較佳表現(xiàn)效果。圖6（b）為使用該動(dòng)態(tài)智能化整定LLC 半橋諧振系統(tǒng)后的電壓、電流、電量消耗表達(dá)效果。可以看到，因?yàn)樵撓到y(tǒng)實(shí)現(xiàn)了電路吸收效能的非線性調(diào)整，因此系統(tǒng)表現(xiàn)更為平緩，且系統(tǒng)自身的電量消耗更少[15]。

進(jìn)一步對(duì)系統(tǒng)的能耗情況進(jìn)行仿真，分析系統(tǒng)的有效輸出效率、能量損失率、發(fā)熱情況，仿真在每100 ms 開(kāi)關(guān)一次晶閘管的前置條件下進(jìn)行測(cè)試，測(cè)試時(shí)間為2 min，即開(kāi)合晶閘管2 400 次，統(tǒng)計(jì)結(jié)果如表1 所示。

表1 系統(tǒng)能耗情況統(tǒng)計(jì)表

表1 中，電源效率與電源能耗為L(zhǎng)LC 半橋諧振電路的直流輸入電源與輸出電源之間的能量占比，電源能耗與電源效率之間存在互補(bǔ)關(guān)系，晶閘管最高溫度指2 min 內(nèi)2 400 次密集開(kāi)合晶閘管全過(guò)程中晶閘管表現(xiàn)出的最高核心溫度。經(jīng)過(guò)比較發(fā)現(xiàn)，電源能耗下降54.17%，晶閘管最高溫度下降29.01%，證實(shí)使用該系統(tǒng)對(duì)LLC 半橋諧振電路進(jìn)行智能化動(dòng)態(tài)優(yōu)化后，電路的能耗顯著降低。如前文分析，如果該電路能耗降低，則其對(duì)后置電路的雜波影響也會(huì)顯著降低。所以，比較晶閘管動(dòng)作時(shí)后置電源接口的電壓浮動(dòng)值，如表2 所示。

表2 后置電源電壓浮動(dòng)情況統(tǒng)計(jì)表

表2 中，峰值浮動(dòng)指晶閘管閉合瞬間系統(tǒng)將工作電壓調(diào)整至額定電壓前系統(tǒng)輸出電壓的最高值與額定值之間的差值再與額定值之間的比值，谷值浮動(dòng)指晶閘管閉合瞬間系統(tǒng)將工作電壓調(diào)整至額定電壓前系統(tǒng)輸出電壓的最低值與額定值之間的差值與額定值之間的比值，調(diào)整時(shí)間指晶閘管閉合瞬間至系統(tǒng)將輸出電源電壓穩(wěn)定在額定值之間的時(shí)間窗口[16-17]。表中，使用該系統(tǒng)對(duì)LLC 半橋諧振電路進(jìn)行智能化動(dòng)態(tài)優(yōu)化后，峰值浮動(dòng)范圍壓縮60.22%，谷值浮動(dòng)范圍壓縮36.03%，調(diào)整時(shí)間的均值壓縮50.37%。在SPSS 雙變量t校驗(yàn)分析中，存在t<10.000和P<0.01 的顯著統(tǒng)計(jì)學(xué)差異，證實(shí)該系統(tǒng)對(duì)系統(tǒng)后置電源的電壓輸出控制有較顯著效果。

5 結(jié)束語(yǔ)

該研究將LLC 半橋諧振電路中兩個(gè)電容器和一個(gè)電抗器更換為模擬信號(hào)驅(qū)動(dòng)可調(diào)整定值元件，使用一個(gè)嵌入式32 位開(kāi)發(fā)芯片作為控制器，配合五個(gè)數(shù)模轉(zhuǎn)換芯片，同時(shí)接入電流傳感器和電壓傳感器芯片，構(gòu)成經(jīng)過(guò)智能化優(yōu)化的LLC 半橋諧振電路。經(jīng)過(guò)仿真，該電路實(shí)現(xiàn)了對(duì)晶閘管開(kāi)合操作的非線性控制，使其自身能耗顯著降低，輸出電源的電壓穩(wěn)定性和調(diào)整周期也顯著縮短。后續(xù)研究中，將對(duì)多電平電源開(kāi)展相關(guān)智能化優(yōu)化研究，且將前置的整流器智能化控制也納入研究中，使電路的智能化程度進(jìn)一步提升。