基于STM32F051控制的LLC谐振变换器设计

杨博等

摘 要：设计了输出电压为58.8V，功率为900W的采用半桥LLC谐振拓扑结构的DC/DC变换器，满足对效率和输出电压纹波的要求。控制系统以STM32F051为核心，采用数字化的控制方式对谐振变换器进行控制，并通过Saber仿真软件对变换器进行了仿真分析。

關键词：LLC；STM32F051；Saber仿真

引言

随着电力电子技术的快速发展，DC/DC变换器拓扑结构变得越来越多，要选择一种合适的拓扑结构要从性能、成本等多方面综合考虑。其中LLC谐振变换器便是一种理想的选择，它利用电路谐振时电压电流的过零状态实现开关管的软开关，减小了开关损耗，提高了变换器的效率。

1 半桥LLC谐振变换器工作原理

半桥LLC谐振变换器的开关网络是由功率开关管组成的，它们被互补的占空比为50%的驱动信号所驱动，其作用是把400V的稳定直流电逆变成为交流电。LLC谐振网络是由谐振电感、谐振电容以及变压器的励磁电感共同组成的。由于串联在电路中，谐振电容有着隔直通交的功能。在输出端，四个二极管组成了全桥整流网络，整流后的直流电压经输出滤波电容滤波后给负载供电。根据励磁电感是否参与谐振，谐振频率分为两种情况，分别为：

因此，可以将LLC谐振变换器的工作频率fs划分为三个工作区间：fs>fr、fs=fr和fm

第一阶段[t0～t1]：在t0时刻，开关管Q2关断，进入到死区时间，谐振电流和励磁电流均为负值并且谐振电流小于励磁电流，多出来的部分输送给副边。这个阶段内，只有谐振电感与谐振电容参与谐振，励磁电感仅充当变压器使用，谐振电流按照正弦波的形式升高，励磁电流呈线性增加。

第二阶段[t1～t2]：t1时刻，谐振电流与励磁电流依然为负值，并且逐渐变小，原边电压被箝位到nVo。t2时刻，谐振电流减小到了0，励磁电流仍为负值。

第三阶段[t2～t3]：t2时刻，Q1导通，变压器原边电流变为谐振电流与励磁电流之和，并且开始变大，t3时刻达到了最大值，同时励磁电流减小为0。

第四阶段[t3～t4]：t3时刻，谐振电流为励磁电感充电，方向由负变正，变压器原边电流变为谐振电流与励磁电流之差。t4时刻，谐振电流与励磁电流相等，原边电流减小为0，副边二极管实现了零电流关断。这个时间段内，谐振电感和谐振电容参与谐振，而励磁电感Lm依然没有参与谐振。

第五阶段[t4～t5]：这个时间段，谐振电流和励磁电流大小相等，副边二极管全部截止，输出电压此时由滤波电容提供。这时的谐振电感、谐振电容和励磁电感全部参与了谐振。

从t5时刻开始，谐振变换器进入下半个周期，其工作的形式与上半周期相同，只是在方向上相反。

2 半桥LLC谐振变换器仿真分析

在Saber仿真软件中建立了半桥LLC谐振变换器的仿真模型。输入电压为400V，输出电压为58.8V，输出功率为900W，谐振频率为100kHz。分析图2（a）可知，输出电压经过短时间的上下波动后，能够基本稳定在58.8V左右，浮动已不明显，电压纹波很小。分析图2（b）可知，开关管导通时间内，谐振电流与励磁电流有一段时间的重合，也就是说励磁电感也参与了电路的谐振，原边开关管实现了ZVS开通，同时，整流二极管实现了ZCS关断。

3 控制系统概述

设计LLC谐振变换器时，要使输出的电压具备一定的调节范围，可以适当地改变输出增益。LLC谐振变换器通常采用变频的方法进行控制，即PFM。PFM控制方式是通过采集输出电压，衡量其波动情况，并输送到压控振荡器（VCO）来达到输出频率变化的目的。针对半桥LLC谐振变换器的设计采用数字化的控制方式，模拟信号采集电路所输出的模拟信号通过STM32F051的ADC模数转换端口转换成数字量，并在STM32F051数字芯片中对图中虚线框内的控制算法和PFM信号的产生完成处理，然后芯片直接产生开关管驱动波形，最后驱动信号通过隔离驱动电路直接驱动开关管的导通与关断，从而实现对整个半桥LLC谐振变换器的控制。

4 结束语

设计了900W的半桥LLC谐振变换器，进行了仿真实验，并介绍了控制方案，验证了设计的可行性。

参考文献

[1]王兆安，黄俊.电力电子技术[M].北京：机械工业出版社，2000.

[2]朱立泓.LLC谐振变换器的设计[D].浙江：浙江大学，2006.

作者简介：杨博（1989-），男，汉族，河北石家庄人，硕士研究生，研究方向：电动车充电电源。