基于碳化硅新型功率器件的LLC諧振變換器實驗設計

馮興田， 邵 康， 黃遠勝

(中國石油大學(華東) 信息與控制工程學院，山東 青島 266580)

0 引 言

軟開關電路是在電路開通或者斷開前，先讓開關管的電流或者電壓降低為零。這樣可有效減小開關損耗，提高電路電能的利用率。軟開關一般采用電感和電容，利用諧振的方式實現，以達到開關過程中的零電壓導通或者零電流關斷[1-4]。因此，在強調高頻化和高效率的背景下，由于硬開關電路不能適用于開關頻率高的電路中，軟開關技術得到了廣泛的關注與研究。軟開關技術的利用不僅解決了開關損耗嚴重的問題和開關過程中電路易振蕩的問題，而且也有利于開關電源向著小型化和模塊化方向發展。

相比較于傳統硅器件，碳化硅新型功率半導體器件禁帶寬，具有高擊穿場強、高飽和電子漂移速率、高熱導率等優點，可以實現高壓、大功率、高頻、高溫的應用器件。通過系統優化設計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、模塊化發展提供有力支撐，對應用于分布式電源與微網場合的光伏逆變器、儲能變流器等在工作效率、功率密度等核心技術上的突破奠定了有利基礎[5-8]。基于碳化硅功率器件的LLC諧振變換器具有明顯優勢[9-15]，本文采用數字信號處理器TMS320F28377S作為控制器，設計了驅動電路、電壓采樣調理以及供電電路，使用碳化硅MOSFET搭建了諧振變換器的實驗平臺。

1 實驗系統設計與開發

基于碳化硅功率器件的LLC諧振變換器實驗系統包括硬件設計和軟件開發兩大部分。硬件設計包括主電路、驅動電路、電壓采樣調理以及供電電路的設計；軟件開發針對數字信號處理器TMS320F28377S的資源和變換器的要求進行程序開發。

1.1 實驗系統結構

圖1給出了單相半橋LLC諧振變換器的系統結構圖，整個硬件系統分為主電路和數字控制兩部分。主電路包括單相半橋LLC諧振變換器的主電路及其驅動電路，負責能量的轉換；數字控制部分包括信號采集調理電路、供電電路和DSP外圍電路，實現驅動信號生成、AD轉換和閉環控制等功能。單相半橋LLC諧振拓撲分為方波發生器、諧振腔和整流網絡三部分。變換器主電路中，兩個MOSFET開關管Q1、Q2產生占空比接近50%的方波，D1、D2分別為兩個MOSFET開關管的體二極管，C1和C2是MOS管的寄生電容；變壓器勵磁電感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構，D1和D2是整流二極管；Co為輸出濾波電容。

圖1 單相半橋LLC諧振變換器系統結構

當變壓器副邊的二極管導通時，原邊被副邊輸出電壓嵌位，勵磁電感不參與諧振，諧振電容、諧振電感和負載構成諧振回路，此時諧振頻率為：

(1)

當二極管關斷時，勵磁電感參與電路中的LC諧振，此時諧振頻率為：

(2)

兩個諧振頻率關系為fr2fr1，fr2

1.2 主控系統設計

本文采用TMS320F28377S浮點型DSP作為主控芯片，其主頻為200 MHz，具有ADC、ePWM、eCAP、eQEP等外設。ePWM模塊是單相半橋LLC諧振變換器所必需的模塊，可以對每個通道獨立設置，各通道之間相互依賴低，因此應用起來比較靈活。它能夠在占用很小的CPU資源的情況下產生復雜的脈沖輸出，可以根據具體應用靈活地進行編程設置。單相半橋LLC諧振變換器的控制變量是開關管的開關頻率。使用ePWM模塊產生開關管的驅動信號。在ePWM模塊中只需要修改時間基準子模塊中時基周期寄存器(TBPRD)和計數器比較子模塊中比較寄存器(CMPA、CMPB)就可以同時改變PWM的頻率和占空比。本文選用遞增計數模式，在動作限定子模塊中選擇計數達到比較器A(CMPA)寄存器輸出置“1”，當計數至周期時使輸出置“0”。由于半橋LLC諧振變換器的驅動信號的占空比為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 驅動電路

單相半橋LLC諧振變換器通過改變開關管的頻率實現對輸出電壓的控制，開關管的驅動信號來自于DSP，DSP輸出高電平時電壓只有3.3 V，能輸出的最大驅動電流只有20 mA，難以驅動MOS管導通，因此需增加驅動電路。IR2110是一種雙通道高壓、高速電壓型功率開關器件柵極驅動器，具有自舉浮動電源，驅動電路十分簡單，只用一個電源可同時驅動上下橋臂，兼有光耦隔離和電磁隔離的優點。選用IR2110設計驅動電路如圖2所示，在邏輯電平側采用5 V供電，驅動采用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 電壓采樣調理電路

為維持LLC諧振變換器輸出電壓的穩定，利用反饋原理實現電壓閉環控制。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轉換為控制芯片能檢測到的低于3.3 V的電壓信號。額定輸出電壓設計在10 V，因此先經過調理電路將輸出電壓縮小到1/10，然后通過DSP內部的ADC模塊送入DSP進行軟件處理，和電壓基準值比較，通過PI算法，進行輸出電壓的調節。圖3給出了LLC諧振變換器的輸出電壓信號采樣調理電路。輸出電壓首先通過差分放大電路，差分放大電路的輸出經過RC濾波網絡后，最后直接接入控制芯片的AD口。運放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供電可以防止調理電路輸出電壓過高而導致AD口燒壞，具有一定的保護作用。

圖2 開關管驅動電路

圖3 電壓采樣調理電路

1.5 供電電源

IR2110驅動芯片需要雙電源供電，為了減少外部供電電源的數量，采用三端穩壓集成芯片LM7805，將15 V的外部供電電源轉換成5 V，供電路使用，見圖4。

圖4 供電電源電路

1.6 系統軟件開發

系統軟件主要針對DSP進行相應的算法編程，圖5所示為單相半橋LLC諧振變換器的主程序流程圖。首先進行系統初始化，然后進行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模塊開始計數并使能中斷，最后進入主程序死循環。

在循環中，首先判斷是否開機，若沒有，繼續循環判斷；否則進入是否啟動判斷。如果已經啟動，則進行AD電壓采集；AD采集到的電壓可能不夠精確，先經過中值濾波后再調用PI子程序得到開關頻率，最后修改PWM模塊的周期寄存器和比較寄存器的值。若沒有啟動就進入啟動程序，用最大頻率啟動，其占空比逐漸增大至0.5；當占空比增至0.5時啟動結束。

圖5 程序流程圖

2 變換器參數設計與實驗

基于碳化硅功率器件的LLC諧振變換器設計指標及元件參數如下：輸入電壓范圍30～40 V；額定輸入電壓35 V；穩定輸出電壓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，FR307快恢復二極管；輸出濾波電容，兩1 nF/50 V并聯，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為實驗系統電路實物圖。

為了避免系統剛開機時啟動電流過大而帶來危害，同時防止開機初期進入閉環引起沖擊。系統設計

圖6 實驗電路實物圖

在剛開機初期以30 kHz作為開關頻率，占空比0.1作為啟動占空比，隨后占空比逐漸增加至0.5時停止增加。圖7所示左圖為以20 kHz開關頻率啟動諧振電流波形，右圖為30 kHz開關頻率變占空比啟動時的諧振電流的波形，可以看出，30 kHz開關頻率變占空比啟動可以減小啟動電流。

圖7 啟動實驗波形

圖8所示為針對不同頻率下的單相半橋LLC諧振變換器的實驗波形，依次為開關頻率等于諧振頻率、開關頻率小于諧振頻率、開關頻率大于諧振頻率3種不同情況下的諧振電流波形。同時測量半橋中點的電壓波形以便于觀察開關頻率的變化。實驗結果說明了開關管實現了零電壓開通。

圖8 諧振實驗波形

為了改善系統性能，實現輸出電壓的穩定，在系統中采用改進的數字PI閉環控制以維持輸出電壓穩定。圖9所示為突增負載和突減負載時的輸出電壓波形，體現了閉環控制的穩定性和快速性。

圖9 閉環實驗波形

3 結 語

本文采用碳化硅新型功率器件設計了一套LLC諧振變換器實驗平臺。該平臺能夠實現功率管的零電壓開關和整流管的零電流開關，降低損耗、提高效率，能夠服務于我校電氣工程專業本科生課程“電力電子技術”和研究生課程“現代電力電子技術”的教學。該實驗平臺有助于學生深入理解電力電子電路的原理和設計，掌握電力電子系統設計方法，熟悉新型電力電子器件的應用，了解學科前沿知識，有效提高學生的硬件設計和軟件開發能力。