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ZHCT955 July 2025 TMS320F280039C , UCC256404

電流模式控制 LLC 注意事項(xiàng)

如圖 1 所示，指示器 - 指示器 - 電容器 (LLC) 串行諧振電路可以在初級(jí)側(cè)實(shí)現(xiàn)零電壓開(kāi)關(guān)，在次級(jí)側(cè)實(shí)現(xiàn)零電流開(kāi)關(guān)，從而提高效率并實(shí)現(xiàn)更高的開(kāi)關(guān)頻率。通常，LLC 轉(zhuǎn)換器采用直接頻率控制模式，只有一個(gè)電壓環(huán)路，可通過(guò)調(diào)整開(kāi)關(guān)頻率來(lái)穩(wěn)定其輸出電壓。直接頻率控制 LLC 無(wú)法實(shí)現(xiàn)高帶寬，因?yàn)?LLC 微小信號(hào)傳輸功能存在雙極點(diǎn)，在不同的負(fù)載條件下會(huì)發(fā)生變化 [1] [2]。當(dāng)將所有邊界條件納入考慮時(shí)，用于直接頻率控制的 LLC 補(bǔ)償器設(shè)計(jì)將變得棘手且復(fù)雜。

電流模式控制可以通過(guò)內(nèi)部控制環(huán)路消除雙極點(diǎn)，同時(shí)使用簡(jiǎn)單的補(bǔ)償器在所有運(yùn)行條件下實(shí)現(xiàn)高帶寬。混合滯環(huán)控制是一種 LLC 電流模式控制方法，它結(jié)合了電荷控制和斜率補(bǔ)償技術(shù) [3]。這種控制方法在保留電荷控制優(yōu)異瞬態(tài)性能的同時(shí)，通過(guò)引入斜率補(bǔ)償技術(shù)，有效規(guī)避了空載或輕載狀況下的相關(guān)穩(wěn)定性問(wèn)題。德州儀器 (TI) 提供的 UCC256404 LLC 諧振控制器證明了該方法切實(shí)可行。

圖 1 LLC 串行諧振電路可在初級(jí)側(cè)實(shí)現(xiàn)零電壓開(kāi)關(guān)，并在次級(jí)側(cè)實(shí)現(xiàn)零電流開(kāi)關(guān)。來(lái)源：德州儀器 (TI)

LLC 電流模式控制的原理

與降壓和升壓等脈寬調(diào)制 (PWM) 轉(zhuǎn)換器類似，峰值電流模式控制可在每個(gè)開(kāi)關(guān)周期內(nèi)直接調(diào)控電感電流，從而將內(nèi)環(huán)控制系統(tǒng)簡(jiǎn)化為一階系統(tǒng)。參考 [2] 提出了采用諧振電容器電壓的 LLC 電荷控制方案。

在 LLC 轉(zhuǎn)換器中，諧振回路的工作方式類似于擺動(dòng)。高低側(cè)開(kāi)關(guān)對(duì)諧振電容器電壓進(jìn)行推挽操作：當(dāng)高側(cè)開(kāi)關(guān)導(dǎo)通，且諧振電流轉(zhuǎn)為正值后，諧振電容電壓將向上擺動(dòng)；反之，當(dāng)?shù)蛡?cè)開(kāi)關(guān)導(dǎo)通，且諧振電流轉(zhuǎn)為負(fù)值后，諧振電容電壓將向下擺動(dòng)。

當(dāng)高側(cè)開(kāi)關(guān)導(dǎo)通時(shí)，能量流入諧振轉(zhuǎn)換器。如果移除輸入去耦合電容器，則向諧振回路提供的功率等于輸入電壓和輸入電流的乘積的積分值。若忽略死區(qū)時(shí)間，則公式 1 可表示每個(gè)開(kāi)關(guān)周期內(nèi)的能量。

方程式 1.

E_{p o s} = \int V_{i n} \times i_{i n} (t) d t

在公式 1 中，輸入電壓是恒定的，輸入電流等于諧振電流的絕對(duì)值。因此您可以將公式 1 修改為公式 2。

方程式 2.

E_{p o s} = V_{i n} \times \int | i_{r} (t) | d t

觀察諧振電容器，諧振電流的積分值與諧振電容器上的電壓變化成正比（公式 3）。

方程式 3.

\int i_{r} (t) d t = C_{C R} \times Δ V_{C R}

公式 4 可推導(dǎo)出傳輸?shù)街C振回路的能量。

方程式 4.

E_{p o s} = V_{i n} \times C_{C R} \times Δ V_{C R}

從公式 4 可以明顯看出，每個(gè)開(kāi)關(guān)周期內(nèi)傳遞的能量與高側(cè)開(kāi)關(guān)導(dǎo)通時(shí)諧振電容的電壓變化量成正比。這與降壓或升壓轉(zhuǎn)換器中的峰值電流控制非常相似，其中能量與指示器的峰值電流成正比。

LLC 電流模式控制通過(guò)控制諧振電容器上的電壓變化來(lái)控制每個(gè)開(kāi)關(guān)周期中提供的能量，如圖 2 所示。

圖 2 這種通過(guò)控制諧振電容器電壓變化來(lái)管理每個(gè)開(kāi)關(guān)周期傳輸能量的方式，正是 LLC 電流模式控制的原理。來(lái)源：德州儀器 (TI)

使用 MCU 實(shí)現(xiàn) LLC 電流模式控制

圖 3 展示了基于德州儀器 (TI) TMS320F280039C C2000? 32 位微控制器 (MCU) 實(shí)現(xiàn)的電流模式 LLC 邏輯，該方案包含基于硬件的諧振電容器電壓變化量 (ΔVCR) 比較、脈沖生成和最大周期限制 [4]。

在 LLC 電流模式控制中，信號(hào) Vc 來(lái)自電壓循環(huán)補(bǔ)償器，信號(hào) VCR 是諧振電容器的電壓感應(yīng)。C2000 比較器子系統(tǒng)模塊具有內(nèi)部斜率發(fā)生器，該發(fā)生器可自動(dòng)為 Vc 提供下降斜率補(bǔ)償。您只需設(shè)置斜率發(fā)生器的初始值；模數(shù)轉(zhuǎn)換器 (DAC) 將根據(jù)斜率設(shè)置提供下降斜率 VCR 限制 (Vc_ramp)。比較器子系統(tǒng)模塊將 VCR 的模擬信號(hào)與斜率限制進(jìn)行比較，并生成觸發(fā)事件 (COMPARE_EVT) 以通過(guò) ePWM X-Bar 觸發(fā)增強(qiáng)型 PWM (ePWM)。

ePWM 中的動(dòng)作限定器子模塊接收來(lái)自比較器子系統(tǒng)的比較事件，并在每個(gè)開(kāi)關(guān)周期中將 PWM (PWMH) 的高側(cè)拉低。在 PWMH 變?yōu)榈碗娖胶?，可配置邏輯塊會(huì)將相同的脈沖寬度復(fù)制到 PWM (PWML) 的低側(cè)。PWML 變?yōu)榈碗娖胶?，可配置邏輯塊 (CLB) 將生成同步脈沖，用于復(fù)位所有相關(guān)模塊并將 PWMH 信號(hào)重新置于高電平。該過(guò)程會(huì)按照新的開(kāi)關(guān)周期重復(fù)。

除了比較動(dòng)作之外，時(shí)間基值子模塊還限制了 PWMH 和 PWML 的最大脈沖寬度，這兩個(gè)脈沖寬度決定了 LLC 轉(zhuǎn)換器的最小開(kāi)關(guān)頻率。如果計(jì)時(shí)器計(jì)數(shù)至最大值時(shí)仍未出現(xiàn)比較事件，時(shí)間基值子模塊將復(fù)位 AQ 子模塊并拉低 PWMH，以此替代比較器子系統(tǒng)模塊的比較事件動(dòng)作。

這個(gè)硬件邏輯構(gòu)成內(nèi)部 VCR 變化控制，該硬件邏輯可控制在每個(gè)開(kāi)關(guān)周期中傳送到諧振回路的能量。隨后，可采用傳統(tǒng)中斷服務(wù)例程設(shè)計(jì)外部電壓循環(huán)補(bǔ)償器，通過(guò)計(jì)算并刷新 VCR 變化振幅至 Vc 的設(shè)定值來(lái)實(shí)現(xiàn)控制。

有關(guān)混合滯環(huán)控制邏輯的更詳細(xì)說(shuō)明，請(qǐng)參閱參考資料 [1]。

圖 3 采用 C2000 MCU 的 LLC 電流模式控制邏輯，其中信號(hào) Vc 來(lái)自電壓循環(huán)補(bǔ)償器，信號(hào) VCR 是諧振電容器的電壓感應(yīng)。來(lái)源：德州儀器 (TI)

實(shí)驗(yàn)結(jié)果

我在使用 TMS320F280039C MCU 的 1kW 半橋 LLC 平臺(tái)上測(cè)試了此處所述的電流模式控制方法。圖 4 顯示了 400V 輸入和 42A 負(fù)載下的電壓循環(huán)波德圖，證明 LLC 可以實(shí)現(xiàn) 6kHz 帶寬和 50 度的相位裕度。

圖 4 具有 400V 輸入和 42A 負(fù)載的電流模式控制 LLC 的波德圖。來(lái)源：德州儀器 (TI)

圖 5 比較了對(duì)輸入電壓 400V，負(fù)載電流 10A 至 80A（轉(zhuǎn)換速率為 2.5A/μs）的瞬態(tài)狀況下，直接頻率控制與混合滯環(huán)控制的負(fù)載瞬態(tài)特性。如您所見(jiàn)，與傳統(tǒng)的直接頻率控制 LLC 相比，混合滯環(huán)控制電流模式控制方法可以更好地響應(yīng)負(fù)載瞬態(tài)。

有關(guān)更多實(shí)驗(yàn)測(cè)試數(shù)據(jù)和波形，請(qǐng)參閱參考資料 [5]。

直接頻率控制 (a) 與混合滯環(huán)控制 (b) 在 400VDC 輸入，電流 10A 至 80A（轉(zhuǎn)換率 2.5A/μs）情況下的負(fù)載瞬態(tài)。綠色是主要電流；淺藍(lán)色是 DC 耦合的輸出電壓；紫色是 AC 耦合的輸出電壓；深藍(lán)色是輸出電流。來(lái)源：德州儀器 (TI)

圖 5 直接頻率控制 (a) 與混合滯環(huán)控制 (b) 在 400V_DC 輸入，電流 10A 至 80A（轉(zhuǎn)換率 2.5A/μs）情況下的負(fù)載瞬態(tài)。綠色是主要電流；淺藍(lán)色是 DC 耦合的輸出電壓；紫色是 AC 耦合的輸出電壓；深藍(lán)色是輸出電流。來(lái)源：德州儀器 (TI)

數(shù)字電流模式控制 LLC

較之直接頻率控制，數(shù)字電流模式控制的 LLC 可實(shí)現(xiàn)更高控制帶寬，并在負(fù)載切換期間保持極低的電壓波動(dòng)。在 N+1 冗余和并聯(lián)應(yīng)用中，這種控制方法可以在熱插拔或提供保護(hù)期間將總線電壓保持在穩(wěn)壓范圍內(nèi)。因此，這種控制方法憑借其快速響應(yīng)特性和數(shù)字可編程能力，已在數(shù)據(jù)中心電源和 AI 服務(wù)器電源領(lǐng)域獲得廣泛應(yīng)用。

參考資料

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Li、Aki、Desheng Guo、Peter Luong 和 Chen Jiang。“混合滯環(huán)控制 LLC 轉(zhuǎn)換器的數(shù)字控制實(shí)現(xiàn)”。德州儀器 (TI) 應(yīng)用手冊(cè)，文獻(xiàn)編號(hào) SPRADJ1A，2024 年 8 月。
德州儀器 (TI)（日期不詳）“使用 C2000? 實(shí)時(shí)微控制器的 1kW、12V HHC LLC 參考設(shè)計(jì)”。德州儀器 (TI) 參考設(shè)計(jì)編號(hào) PMP41081。訪問(wèn)日期：2025 年 1 月 16 日。