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数字化实现之(7)-全桥LLC控制

前一章节介绍了对称半桥LLC以及控制方法,本章节主要介绍全桥LLC拓扑及其控制方法。其实半桥和全桥并没有本质的区别,都是谐振电路,半桥是一个桥臂,全桥是两个桥臂,先比于半桥,半桥具有以下优点:

  1. 两个周期都从母线电容取电,减少了母线电容的峰值电流,母线电容纹波更小,寿命更长;
  2. 实现更大功率的输出;
  3. 磁性器件工作在一三象限,利用率高,有利于磁芯器件的设计,同样的磁芯器件能输出更多的能量;
  4. 功率开关管的电流峰值更小。

LLC变频模式下有三种工作状态,分别为,,.fs是工作频率,fr是谐振频率,.

三种工作模式的工作状态分别如下,

可以看出两个桥臂的对管Q1&Q4驱动信号一致,Q2&Q3驱动信号一致,在这种工作状态下对PWM外设比较好进行配置。为了后面实现调频调宽功能,选择推挽输出模式,当PWM 工作在推挽模式下时,会使整个周期的时间加倍,因为每个周期发生两次定时器匹配。下面是中心对称模式的推挽输出,此模式组合将PWM 缓冲区更新和中断事件限制为每4 个时基周期发生一次。PWM1H&PWM1L作为开关管Q1&Q4的驱动,PWM2H&PWM2L作为开关管Q2&Q3的驱动。(占空比D=50%)

在正常的工作条件下可以采用这种PFM的方式即可满足需求,但是开关电源的工况比较复杂,特别是这种LLC拓扑,输入电压变高或者输出电压变低/负载变轻都会使工作频率升高,上一篇文章提到,频率的提高会受到一定的限制,为了满足低压轻载的需求,会进入到调频调宽的状态。半桥LLC是采用非对称互补的方波方式能解决单调性和谐振电流的方法,那么全桥LLC该如何解决呢?

全桥LLC的四个开关管均采用对称发波方式,我们将Q1~Q4组成两个桥臂,Q1&Q3组成调宽臂,Q2&Q4组成调频臂。比如全桥LLC的工作频率范围是100kHz~250kHz,假设Q1&Q3在180kHz以下只调频,D=50%,当工作频率高于180kHz调频也调宽,Q2&Q4组成的调频臂在全工作范围内只调频,占空比不变D=50%。如下图:

具体的实现方式是在工作频率高于180kHz时,控制算法去修改PG1的CMP值,更新占空比值。PG2还是按照原来的算法不变,进行调频,占空比不变。

但是调宽臂采用对称发波的方式,会同样出现上一篇文章中出现的问题,在调宽状态当占空比很小的时候,调宽桥臂Q1&Q3的驱动信号很长一段时间内会处于低电平,谐振电流只能流过MOSFET的体二极管。一旦谐振电流衰减到0,体二极管就进入反向恢复状态,漏源电压Vds上升(在占空比较小的情况下,Vds可上升到PFC母线电压),此MOS管失去0电压开通条件,此时造成的开关损耗会非常大。


低压轻载调宽桥臂硬开关的解决方案

为防止以上硬开通现象的发生,可在MOS管的体二极管反向恢复之前就发出开通信号将其沟道导通,即将调宽桥臂驱动信号的上升沿往前移,移至另外一开关管驱动信号的下降沿处(忽略死区时间),这等效为移相发波,调宽桥臂为超前桥臂,调频桥臂为滞后桥臂,下面是PFM和PS工作模式下的主要波形,当工作频率处于最高频率后,通过调节相角来控制输出电压。

在DSP实现移相方法,可以采用PG3作为参考载波,PG3的EOC触发PG1(黑色)的SOC, TriggerA触发PG2(绿色)的SOC,以此来产生相移,PWM1H和PWM2H的重叠部分为有效占空比。

另外,要保证斜对管驱动信号(如PWM1H与PWM2H)高电平的重叠时间最小时为0,这样谐振腔两端电压的最小占空比才会为0,否则LLC在启机时一旦放开驱动信号,输出电压就会阶跃到一个较高的平台,电平的大小和持续时间随负载的减小而增加,随斜对管驱动信号高电平的重叠时间增加而增加。

在低压轻载工作状态下,实际的占空比进一步减小,甚至接近于0,这就造成励磁电流的峰值太小,在死区时间内MOS管Coss的电荷无法被抽走,MOS管出现硬开通。这种硬开通是无法通过移相发波方式解决的。


交错并联LLC实现方式

目前充电桩作为七大基建之一,市场需求非常活跃,充电模块以20KW、30KW为主流,要想实现高效高功率密度,必然少不了LLC拓扑。以20KW充电模块为例,输入380Vac交流电压,前级经过ViennaPFC变换器产生+400V、0V和-400V三电平电压(本人另有写三相Vienna拓扑分享专题),然后在后级上下接一个交错并联的LLC,实现200V~750V的电压输出,典型拓扑结构如下:

交错并联LLC拓扑

控制方法如下,Q5~Q8组成的全桥LLC相对于Q1~Q4组成的全桥LLC滞后90°,这样可以实现输出电压纹波最小。

交错LLC控制框图

本文给出了(交错并联)全桥LLC的一般控制策略,以及在低压轻载对两个桥臂不同的处理方式,如果大家有更高的控制策略,也可以拿出来讨论。

参考文献

《全桥LLC谐振变换器的混合式控制策略》(点击“资料”即可下载 )

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  • 深水里的鱼 2023-11-24 15:41
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