半桥LLC数字控制

2023-11-02

LLC结构可分为对称半桥和非对称半桥。本文主要涉及对称半桥的控制方法及其实现方式。非对称和对称半桥LLC结构如下图1.1和图1.2。

 图1.1 非对称半桥LLC 
图1.2  对称半桥LLC

对称半桥LLC和非对称半桥LLC没有本质的差别,对称半桥将谐振电容Cr分为C1和C2,使电路处于一种对称的结构,但是电容的容量对称和非对称是一样的。


对称半桥LLC的工作原理如下:

第一阶段:Q1导通,Q2截止,输入电源Vin经过谐振电感Lr给谐振电容C2进行充电,C2电容电压上升,同时C1电容放电,C1电容电压下降。如图2.1。

图2.1 第一阶段

第二阶段: Q1截止,Q2截止。由于谐振电感电流不能突变,Lr电流依然为正,只是逐渐减小,C2充电电流也逐渐减小,C2电压依然增加,C1电容依然处于放电状态(路径如黑色箭头)。此时Q2管的体二极管导通,为Q2实现ZVS提供条件。如图2.2。

图2.2 第二阶段

第三阶段:Q1截止,Q2导通。由于之前Q2体二极管导通,经过死区时间后Q2实现了ZVS。此时谐振电容C2等效为一个电压源,上正下负,于谐振电感Lr产生谐振。Lr电流减小至零后反相逐渐增大。C2电容处于放电状态(红色路径),所以C1电容处于充电(黑色路径)。如图2.3。

 图2.3第三阶段

仿真波形如图2.4:

 图2.4 仿真波形


对称半桥LLC的控制方法(非对称半桥LLC同理):

对称发波:

由于LLC的控制是通过PFM控制方法来稳定输出电压的,所以在进行调解时PWM的频率是不断在变化的。而占空比不变,为了防止MOSFET的直通,所以要加入一定的死区时间。所谓对称发波,就是上下桥的占空比始终是一样的,在进行PFM控制时,占空比始终保持在50%(实际加了死区就在48%左右)。如图3.1。

图3.1  对称发波波形

但是当LLC在输出轻载或者空载时,需要提高工作频率,但是功率管的开关最高频率是受限制的,我们一般无法让LLC的输出全范围都工作在PFM模式中,特别是在数字电路中,由于stm32的资源有限,电路的最高频率会收到限制,所以当LLC处于轻载或者空载的时候,需要用到BURST控制模式,也就是打嗝控制,通过BURST控制将输出电压稳定。但是上下管的PWM占空比始终保持一致。图3.2为BURST控制波形。

图3.2 BURST控制波形


数字化LLC其他资源配置及其软件算法实现: 

1、AD采样配置

AD采样配置主要涉及的问题是AD采样频率,环路反馈量(输出电压和输出电流)采样时刻,以及采样精度的确定。

2、中断配置

环路计算的实时性要求很高,需要在中断ISR中执行,本文采用固定频率的中断触发环路计算。

3、软件算法实现:

通过固定频率的中断进行AD采样及环路计算,再将计算后的周期值重新赋值给寄存器,保证输出的稳定。


数字化LLC整体软件框架说明:

为简化系统软件架构,同时增加软甲系统的可移植性,以中断时间触发的思想设计整体LLC的软件系统,如下图4.1为整体软件系统架构图。

 图4.1 整体软件框架

LLC控制器上电复位后,初始化stm32的所有外设,打开各组模块功能所需的中断,随后进入循环。

软件主体分别由两个中断内容构成,分为50kHz中断、200kHz中断。其优先级从高到低的顺序为50kHz中断、200kHz中断,各个中断运行过程中均使用中断嵌套功能,即优先级高的中断可以任意时刻打断优先级较低的中断,每个中断有其对应的处理事件内容,如上图中断内容所示。

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