CN202889201U

CN202889201U - 一种基于dsp的大功率llc谐振全桥变换器

Info

Publication number: CN202889201U
Application number: CN2012204332002U
Authority: CN
Inventors: 吴开源; 兰艳林; 李华佳; 赵卓立; 章涛
Original assignee: South China University of Technology SCUT
Current assignee: South China University of Technology SCUT
Priority date: 2012-08-28
Filing date: 2012-08-28
Publication date: 2013-04-17
Anticipated expiration: 2022-08-28

Abstract

一种基于DSP的大功率LLC谐振全桥变换器，包括主电路和控制电路：主电路包括依次连接的一次侧整流滤波电路、MOSFET全桥变换电路、LLC谐振网络、功率变换模块和二次侧整流滤波电路，功率变换模块由两个功率变压器组成，MOSFET全桥变换电路一端与一次侧整流滤波电路相连接，另一端与谐振网络相连接，谐振网络与功率变换模块相连接，二次侧整流滤波电路一端与功率变换模块连接，另一端与负载相连接；控制电路包括电压采样检测电路、电流采样检测电路、DSP数字化控制系统和MOSFET全桥驱动电路，电压采样检测电路一端与电源的输出相连接，电流采样检测电路串接在二次侧整流滤波电路的回路中，DSP数字化控制系统与MOSFET全桥驱动电路相连接，MOSFET全桥驱动电路驱动MOSFET全桥变换电路。具有操作简单，易于实现智能化，适用于大功率输出场合等优点。

Description

一种基于DSP的大功率LLC谐振全桥变换器

技术领域

本实用新型涉及LLC谐振电路技术，特别涉及一种基于DSP的大功率LLC谐振全桥变换器。

背景技术

随着开关电源技术的迅速发展，高功率密度和高效率已经成为其发展趋势，在这种情况下，软开关技术得到了广泛的发展和应用。软开关技术采用的电路拓扑主要由谐振型软开关拓扑和PWM型软开关拓扑，而谐振型软开关技术由于其高效和高功率密度等优点在开关电源技术应用中得到了更加广泛的研究和关注，LLC谐振全桥变换器作为一种特殊的电路拓扑，既能够满足高频化的要求，又能达到很高的转换效率，它通过保持上下桥臂开关管的死区时间不变，只调节开关频率来调节输出电压，实现全范围的软开关变换。

与其它软开关技术相比较，LLC谐振全桥变换器不但具有一次侧开关管ZVS（零电压）开通特性，同时能实现二次侧整流二极管的ZCS（零电流）开通和关断和低耐压要求，而且其掉电维持时间特性比较好，损耗低，转换效率高。

但就目前对于LLC谐振全桥变换器的研究成果而言，还有许多优待需要解决的问题，特别是对于系统中的数字控制谐振变换核心技术，系统的可靠性、智能化以及高功率密度输出等问题，都优待进一步解决。现有技术主要具有以下缺陷：

（1）输出功率小，效率低，难以实现高功率密度输出。

（2）可靠性低，控制精度低。

（3）集成度低，一致性差，难以实现标准化。

实用新型内容

本实用新型的目的在于克服现有技术的缺点和不足，提供一种基于DSP数字化控制的精度更高、功率输出更大的LLC谐振全桥变换器。该变换器借助DSP全数字化的快速运算，实现高速高精度的功率变换调节，使得系统稳定而又具有良好的动态特性，采用两个初级绕组串联次级绕组并联的功率变压器来获得更大功率的输出。

本实用新型的目的通过下述技术方案实现：一种基于DSP的大功率LLC谐振全桥变换器，其特征在于：包括主电路和控制电路；所述主电路由一次侧整流滤波电路、MOSFET全桥变换电路、LLC谐振网络、功率变换模块、二次侧整流滤波电路依次连接组成，其中，功率变换模块由两个功率变压器组成，两个变压器采用原边绕组串联，副边绕组并联的方式来分担传输功率，可以获得更大功率的输出。MOSFET全桥变换电路一端与一次侧整流滤波电路相连接，另一端与谐振网络相连接，谐振网络与功率变换模块相连接，二次侧整流滤波电路一端与功率变换模块连接，另一端与负载相连接；控制电路由电压电流采样电路、DSP数字化控制系统、MOSFET全桥驱动电路组成，其中，电压采样电路与电源的输出相连接，另一端与DSP的模数转换通道ADCIN0相连接，电流采样电路串接在二次侧整流滤波电路的回路中，检测信号经过差分放大后另一端与DSP的模数转换通道ADCIN1相连接，DSP数字化控制系统与MOSFET全桥驱动电路相连接，MOSFET全桥驱动电路与MOSFET全桥变换电路连接。

上述的LLC谐振全桥变换器，所述的一次侧整流电路为全桥式整流滤波电路。

上述的LLC谐振全桥变换器，所述的MOSFET全桥变换电路主要由单相电压型桥式变换电路组成。

上述的LLC谐振全桥变换器，所述的功率变换模块是指带两个隔离变压器的变换器，变压器采用原边绕组串联，副边绕组并联的方式。

上述的LLC谐振全桥变换器，所述的LLC谐振电路的谐振电感为独立的外置谐振电感再加上两个隔离变压器的漏感之和，励磁电感为两个隔离变压器的励磁电感之和。

上述的LLC谐振全桥变换器，所述的二次侧整流滤波电路是指二极管整流和C滤波电路。

上述的LLC谐振全桥变换器，所述的DSP数字化控制系统主要由TMS320LF2407A芯片及其外围电路组成。

上述的LLC谐振全桥变换器，所述的MOSFET全桥驱动电路主要由脉冲驱动变压器、MOSFET式图腾柱推动结构相互连接组成。

上述的LLC谐振全桥变换器，所述的电压采样电路采用非隔离式电阻分压采样，采样得到的电压信号经过滤波后连接DSP控制芯片TMS320LF2407A的模数转换通道ADCIN0进行模数转换，DSP对得到的数字量进行PI运算，然后控制输出相应驱动脉冲；电流采样电路采用在电源输出主回路中串接分流器方式采样，得到的采样信号经过差分放大器放大再经过电阻分压后连接控制芯片TMS320LF2407A的模数转换通道ADCIN1进行模数转换，DSP对得到的数字量进行PI运算，然后控制输出相应驱动脉冲的频率，从而实现对变换器的恒压限流模式控制。

相对于现有技术，本实用新型的主要优点是：

1、本实用新型采用DSP全数字化高速控制的LLC谐振全桥变换器，可靠性高、快速、精确、效率高、结构简单、体积小、成本低。

2、本实用新型的控制核心采用DSP控制的全数字化谐振技术，系统升级方便，控制电路集成度高、一致性好、易于标准化，智能化程度高。

3、本实用新型采用了电压电流反馈的数字化控制技术，系统的动态特性优良、控制精度高、稳定可靠。

4、本实用新型的功率变换模块采用了两个功率变压器，功率变压器之间采用原边绕组串联，副边绕组并联的方式来输出更大功率，从而获得更高的功率密度。

附图说明

图1是本实用新型的整体结构框图。

图2是本实用新型的大功率LLC谐振全桥变换器原理图。

图3是本实用新型的MOSFET全桥驱动电路原理图。

图4是本实用新型的变换器输出电压电流采样电路原理图。

图5是本实用新型的DSP控制系统模块结构框图。

图6是本实用新型的DSP控制系统原理图。

图7是本实用新型的DSP控制系统程序流程图。

具体实施方式

为了使本实用新型的目的、技术方案以及优点更加清楚明白，下面结合附图和实施例，对本实用新型做进一步的详细说明，但本实用新型的实施方式不限于此。

如图1所示，一种基于DSP的大功率LLC谐振全桥变换器，包括主电路和控制电路。主电路由一次侧整流滤波电路、MOSFET全桥变换电路、LLC谐振网络、原边绕组串联，副边绕组并联的两个功率变压器组成的功率变换模块、二次侧整流滤波电路依次连接组成，其中，MOSFET全桥变换电路一端与一次侧整流滤波电路相连接，另一端与谐振网络相连接，谐振网络与功率变换模块相连接，二次侧整流滤波电路一端与功率变换模块连接，另一端与负载相连接；控制电路由电压电流采样电路、DSP数字化控制系统、MOSFET全桥驱动电路组成，其中，电压采样电路与电源的输出相连接，另一端与DSP的模数转换通道ADCIN0相连接，电流采样电路串接在二次侧整流滤波电路的回路中，检测信号经过差分放大后另一端与DSP的模数转换通道ADCIN1相连接，DSP数字化控制系统与MOSFET全桥驱动电路相连接，MOSFET全桥驱动电路与MOSFET全桥变换电路连接。MOSFET全桥驱动电路对DSP控制系统产生的两路相位相差180°，占空比固定接近50％的驱动脉冲PWM_1、PWM_2进行放大后驱动全桥逆变电路的高压MOSFET以对系统进行输出电压电流的控制。输出的电压电流信号经过相应检测电路后反馈到DSP控制系统，实时控制以满足系统稳定性要求。其中，功率变换模块由两个隔离功率变压器组成，输出采用C滤波，电压采样检测采用非隔离电阻分压采样，电流采样则采用山西永明电子有限公司生产的分流器（型号为FLQ62-50A50mV）串接在母线中进行电流采样。

如图2所示，是本实用新型中的大功率LLC谐振全桥变换器原理图，可以见到变换器输入为整流后的有滤波电容C1a的直流电压Vin；桥式逆变电路采用高压MOSFETV1a～V4a组成的全桥，用于驱动后级LLC谐振电路；谐振电路包括串联谐振电容Cr，串联谐振电感Lr（包含了原边绕组串联的变压器T1a和T2a的漏感之和）和励磁电感Lm（包含原边绕组串联的变压器T1a和T2a的励磁电感之和），此时谐振电路存在两个谐振频率，一个是由谐振电容Cr，谐振电感Lr构成的第一谐振频率

f_{r} = \frac{1}{2 π \sqrt{L_{r} C_{r}}},

另一个是由谐振电容Cr，谐振电感Lr，励磁电感Lm构成的第二谐振频率

f_{m} = \frac{1}{2 π \sqrt{(L_{r} + L_{m}) C_{r}}};

原边驱动信号分别同时控制高压MOSFET V1a、V4a与V2a、V3a的开通和关断，使得V1a、V4a与V2a、V3a交错导通，工作于恒定死区的PFM（频率调制）模式，实现高压MOSFETV1a、V4a与V2a、V3a的ZVS开通；功率转换电路采用两个原边绕组串联，副边绕组并联的隔离变压器T1a和T2a，这两个变压器的参数一致，实现变换器变换的同时并且获得更大功率的输出；次级采用快速整流二极管D1a、D2a以及滤波电容C2a进行整流滤波，使得输出端得到稳定的直流输出；变换器的输出母线上串联分流器F1a对输出电流进行采样，采样得到的电流信号送到DSP控制系统进行运算处理，实时调试谐振频率来实现变换器输出限流控制。

如图3所示，是本实用新型中的MOSFET全桥驱动电路原理图。驱动电路原边采用了高速MOSFET N1b～N4b组成的图腾柱式推动结构，能对DSP控制系统发送过来的驱动脉冲PWM_1和PWM_2实现快速切换并加大驱动功率。驱动电路副边采用了稳压管D9b～D10b、D16b～D17b、D23b～D24b、D30b～D31b对驱动脉冲进行稳压钳位，以保证经过驱动变压器T1b和T2b转换得到的驱动脉冲幅值过高损坏变换器原边变换电路高压MOSFET V1a～V4a；电容C7b～C10b对高压MOSFET V1a～V4a进行加速驱动，以尽量消除开通时刻MOSFET米勒效应带来的开通延时不利影响；D13b与V1b、D20b与V2b、D27b与V3b、D34b与V4b组成的快速放电回路能在驱动脉冲关断时间加速脉冲后沿关断，消除关断时刻MOSFET米勒效应引起的二次导通。

如图4所示，是本实用新型的变换器输出电压电流采样电路原理图。电压采样电路采用非隔离电阻R1c、R2c分压采样，并且引进了一个由R3c、C2c组成的闭环零点网络，增加了动态响应速度，经过分压后得到的小于或等于3.3V的直流信号经过3.3V的稳压管D1c钳位后输入到DSP控制芯片的ADCIN0口，再通过相应软件实现A/D转换。电流采样电路利用串联在变换器的输出母线上串联分流器F1a对输出电流进行电流信号采样，分流器上得到的微弱信号经过差分放大器N1c后得到较为干净、平滑的直流信号，然后再对其直流信号进行分压滤波后再经过3.3V的稳压管D2c钳位后输入到DSP控制芯片的ADCIN1口，再通过相应软件实现A/D转换。上述环节构成的反馈闭环控制电路，就可以实现变换器恒压限流模式的控制。

如图5所示，是本实用新型的DSP控制系统模块结构方框图。该系统选用了TMS320LF2407A作为DSP控制芯片，其基本结构包括驱动脉冲产生模块、RS232／485与CAN 2.0B通讯模块、LCD液晶显示模块接口、存储模块RAM与Flash、数字I／O口、AD模拟输入。A／D采样进来的模拟信号送到DSP的A／D转换通道，系统通过软件算法实现A／D转换，输出两路PWM_1和PWM_2驱动脉冲对主电路进行频率调制。控制系统还通过外部LCD液晶显示模块对变换器输出电压电流进行实时显示，通过总线RS232／485与上位机、CAN 2.0B与外部监控系统相连接，实现DSP控制系统与上位机和外部监控系统之间的通讯。

如图6所示，是本实用新型的DSP控制系统原理图。里面包括电源转换模块TPS7333Q、系统控制芯片TMS320LF2407A、30MHz有源晶振、存储芯片IS61LV12816、RS232总线驱动器MAX232ACPE和CAN总线驱动器PCA82C250。其中，电源转换模块TPS7333Q将外部供电电源+5V电平转换成系统控制芯片TMS320LF2407A的+3.3V电平；TMS320LF2407A主要实现对采样的电压电流进行A／D转换并进行运算，再根据运算值输出相应频率的驱动脉冲来驱动主电路功率MOSFET，实现调频控制；30MHz有源晶振为控制芯片提供基频，芯片内部经过1.33倍倍频后得到40MHz主频；存储芯片IS61LV12816主要实现LCD液晶显示模块数据的存储；控制系统通过总线驱动器MAX232ACPE和PCA82C250与上位机以及外部监控系统进行通讯，并且通过IDE标准接口CN2与外部液晶显示模块相连接，实时显示变换器输出的电压电流。控制系统的核心控制策略如下，电压电流采样信号通过DSP控制芯片的ADCIN0和ADCIN1口送到内部A／D转换通道，通过软件进行相应的A／D转换。本实用新型采用了数字化PI控制策略，采用TI控制器的软件平台CCS2000集成开发环境的RTDX模块进行PI参数的调整。滤波器输出的电压平均值Vout经过电压采样电路采样后得到值为Vo，再与内置电压给定值Vref进行比较，再将得到的电压误差信号通过电压调节器送入驱动脉冲频率调整环节，得到的驱动脉冲再调整主电路功率MOSFET的开关频率，从而调节系统的输出电压。分流器采样得到的电流信号经过电流采样电路后得到值为Io，再与内置电流给定值Iref进行比较，只要检测到电流调节器进入运算状态，那么控制系统就判断进入恒流模式，此时电压调节处于开环状态，变换器输出进入恒流模式。上述的控制策略的DSP算法，采用了滑模控制方法，即利用了控制作用的不连续性，使得系统在两个控制规律之间切换，使系统状态沿着滑模面滑动，从而产生一种与原系统无直接关系的新运动—滑动模块。根据这种算法设计的控制器，控制系统具有良好的抗干扰能力，满足变换器电压输出的跟随性，而且负载适应性强，系统的动态特性和静态特性都比较好。

如图7所示，是本实用新型的DSP控制系统程序流程图。设计的软件主要是实现AD转换结果的读取和输出电压和电流的控制，即实现占空比固定的驱动脉冲产生、驱动脉冲的频率调制、波形控制以及故障保护。

以上内容是结合具体的优选实施方式对本实用新型所作的进一步详细说明，不能认定本实用新型的具体实施只局限于这些说明，任何未背离本实用新型的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化等均应为等效的置换方式，都应当视为属于本实用新型由所提交的权利要求书确定的保护范围。

Claims

1.一种基于DSP的大功率LLC谐振全桥变换器，其特征在于：包括主电路和控制电路；所述主电路包括依次连接的一次侧整流滤波电路、MOSFET全桥变换电路、LLC谐振网络、功率变换模块、二次侧整流滤波电路，所述MOSFET全桥变换电路一端与一次侧整流滤波电路相连接，另一端与谐振网络相连接，谐振网络与功率变换模块相连接，二次侧整流滤波电路一端与功率变换模块连接，另一端与负载相连接；控制电路包括电压采样电路、电流采样电路、DSP数字化控制系统和MOSFET全桥驱动电路，所述电压采样电路与二次侧整流滤波电路的输出端相连接，另一端与DSP数字化控制系统相连接，电流采样电路与二次侧整流滤波电路串联，所述DSP数字化控制系统与MOSFET全桥驱动电路相连接，所述MOSFET全桥驱动电路与MOSFET全桥变换电路连接。

2.根据权利要求1所述的基于DSP的大功率LLC谐振全桥变换器，其特征在于：所述的一次侧整流滤波电路为全桥式整流滤波电路。

3.根据权利要求1所述的基于DSP的大功率LLC谐振全桥变换器，其特征在于：所述的MOSFET全桥变换电路主要由单相电压型桥式逆变电路组成。

4.根据权利要求1所述的基于DSP的大功率LLC谐振全桥变换器，其特征在于：所述的功率变换模块为带两个隔离变压器的变换器，所述功率变换模块包括变压器，所述变压器采用原边绕组串联，副边绕组并联的方式。

5.根据权利要求1所述的基于DSP的大功率LLC谐振全桥变换器，其特征在于：所述的LLC谐振网络的谐振电感为独立的外置谐振电感再加上两个隔离变压器的漏感之和，励磁电感为两个隔离变压器的励磁电感之和。

6.根据权利要求1所述的基于DSP的大功率LLC谐振全桥变换器，其特征在于：所述的二次侧整流滤波电路是指二极管整流和C滤波电路。

7.根据权利要求1所述的基于DSP的大功率LLC谐振全桥变换器，其特征在于：所述的DSP数字化控制系统包括TMS320LF2407A芯片。

8.根据权利要求1所述的基于DSP的大功率LLC谐振全桥变换器，其特征在于：所述的MOSFET全桥驱动电路包括相互连接的脉冲驱动变压器和MOSFET图腾柱推动结构。

9.根据权利要求7所述的基于DSP的大功率LLC谐振全桥变换器，其特征在于：所述的电压采样电路采用非隔离式电阻分压采样，采样得到的电压信号经过滤波后输入TMS320LF2407A芯片进行模数转换，DSP对得到的数字量进行PI运算，控制输出相应驱动脉冲的频率；电流采样电路采用在电源输出主回路中串接分流器方式采样，得到的采样信号经过差分放大器放大再经过电阻分压后输入TMS320LF2407A芯片进行模数转换，DSP对得到的数字量进行PI运算，然后控制输出相应驱动脉冲的频率。