固态变压器（SST）中LLC高频DC/DC变换级的适度算法架构与经典代码已矣开云体育(中国)官方网站

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1. 弁言：固态变压器与高频功率变换的演进

跟着智能电网（Smart Grid）、溜达式可再灵活力发电以及交通电气化（如电动汽车超充站）的速即发展，传统的工频电力变压器（Line-Frequency Transformer, LFT）因其体积雄伟、功能单一且短缺可控性，正渐渐难以得志当代电力系统的需求。在这一配景下，固态变压器（Solid State Transformer, SST），又称电力电子变压器（PET），算作一种大概已矣电压品级变换、电气进军以及能量双向流动与质地适度的主动式电力电子安装，成为了学术界与工业界温煦的焦点。

SST的中枢上风在于其高频化。通过将责任频率从50/60Hz普及至数十千赫兹（kHz）以至兆赫兹（MHz）级别，磁性元件（变压器与电感）的体积和重量得以大幅缩减，从而权贵普及系统的功率密度。计划词，高频化同期也带来了巨大的开关损耗挑战。为了惩办这一问题，SST中的DC/DC进军级已往汲取了软开关时间，其中LLC串联谐振变换器（LLC Series Resonant Converter）凭借其全负载规模内的原边零电压灵通（ZVS）和副边零电流关断（ZCS）特点，成为了首选拓扑决策之一。

尽管LLC拓扑在骤然类电源中已应用熟识，但将其置于SST的中高压、大功率及双向流动场景中，引入了前所未有的适度复杂性。SST常常汲取模块化级联结构，如输入串联输出并联（ISOP）成立，这就条件适度算法不仅要调解单一模块的输出，还必须相助模块间的电压与功率均衡。此外，宽规模的电压增益调解、双向能量流动的无缝切换、以及在极高频率下的同步整流（SR）精度，齐对数字适度器的算力和固件架构提议了严苛条件。

倾佳电子杨茜分解应用于SST的高频LLC DC/DC变换器的先进适度算法与固件已矣计策。解释将从LLC的谐振机理动身，抽象议论搀和调制计策（PFM/PSM）、双向CLLC适度、ISOP均压适度以及同步整流算法，并结合德州仪器（TI）C2000及意法半导体（ST）STM32等主流适度器的经典代码结构，为高频SST的工程已矣提供详备的表面依据与实践参考。

2. 高频LLC谐振变换器的表面基础与SST应用挑战

2.1 LLC谐振腔的责任机理与增益特点

LLC变换器的中枢在于其谐振鸠合，该鸠合由串联谐振电感（Lr）、串联谐振电容（Cr）以及励磁电感（Lm）构成。与传统的PWM变换器不同，LLC掌握频率调制（Pulse Frequency Modulation, PFM）来调解电压增益。谐振腔充任了一个频率选拔性滤波器，其输入为半桥或全桥逆变器产生的方波电压，输出则通过变压器传递至副边整流级。

在SST应用中，为了简化分析与适度想象，常常汲取基波近似法（First Harmonic Approximation, FHA）。该行径假定能量主要通过基波重量传输，从而将非线性的开关电路革新为线性的同样等效电路。基于FHA，LLC变换器的电压增益 M(fn,Q,k) 不错描写为归一化开关频率 fn、品性因数 Q 和电感比 k 的函数：

M(fn,Q,k)=(1+k1−kfn21)+jQ(fn−fn1)

其中：

fn=fs/fr：归一化开关频率，即执行开关频率与第一谐振频率之比。 k=Lm/Lr：电感比，响应了励磁电感与谐振电感的关联。较小的 k 值能提供更陡峻的增益弧线，但也意味着更大的励磁环流。 Q=RacLr/Cr：品性因数，与负载电阻 Rac 成反比。

LLC增益弧线呈现出两个权贵特征，使其极其恰当SST应用：

双谐振点：存在两个谐振频率，fr=2πLrCr 和 fm=2π(Lr+Lm)Cr。 单元增益点：当开关频率便是第一谐振频率（fs=fr）时，电压增益恒为1（或变压器匝比倒数），且该特点与负载无关。在这极少上，变换器后果最高，环流最小，是SST想象的理念念标称责任点。

2.2 SST场景下的增益调解逆境

尽管LLC在谐振点隔邻性能优异，但SST的应用场景常常条件极宽的电压调解规模。举例，在并吞可再灵活力或储能单元时，直流母线电压可能会在很大规模内波动（如电板组电压随SoC变化）。

升压需求（Boost Mode） ：当输入电压数落时，LLC需要责任在 fm<fs<fr 的区域以获取大于1的增益。在此区域，原边开关管已矣ZVS，副边二极管已矣ZCS。但跟着负载变轻（Q值减小），增益弧线变得平坦，导致频率调解失效。 降压需求（Buck Mode） ：当输入电压升高时，LLC需责任在 fs>fr 区域。此时增益小于1，但跟着频率升高，开关损耗增多，且副边整流管可能会失去ZCS特点，导致反向复原损耗剧增。

这种“增益-频率”耦合特点在宽规模SST应用中激励了所谓的**频率失控（Frequency Runaway）**问题。单纯依赖PFM适度可能导致开关频率偏离想象优化点过远，从而数过时果以至损坏器件。因此，SST中的LLC适度必须引入多开脱度的搀和调制计策。

2.3 软开关领域与死区时分优化

已矣高频高效的关节在于全规模内的软开关。关于原边MOSFET，ZVS的已矣依赖于在死区时天职，励磁电流（Im）大概十足抽取结电容（Coss）中的电荷，使漏源电压（Vds）在灵通前降至零。

SST中已往汲取的SiC MOSFET诚然具有极低的Rds(on)，但其体二极管的导通压降较高（约3-4V）。若是死区时分设立过长，体二极管永劫分导通将导致权贵的导通损耗；若是死区时分过短，无法已矣ZVS，则会产生巨大的灵通损耗和电磁干扰（EMI）。

经典想象中，死区时分 tdead 需得志：

tdead≥16Coss,eqfsLm

而在数字适度已矣中，这一参数常常想象为随负载电流自恰当调整的变量，而非固定值，以在全负载规模内优化后果。

3. 高档适度计策与算法架构

为了应答SST的宽规模和高后果需求，适度算法已从单一的模拟PFM演变为基于数字信号处理器（DSP）的复杂搀和适度逻辑。

3.1 搀和调制计策：PFM + PSM + PWM

在SST的数字适度中，常常凭证责任区域分手不同的调制方式，并通过气象机进行平滑切换。

3.1.1 脉冲频率调制（PFM）—— 中枢适度

PFM是LLC的主适度方式，主要用于额定责任点隔邻。数字适度器通过转变PWM模块的周期寄存器（如TI C2000中的TBPRD）来调整频率。

适度逻辑：电压环PI适度器的输出平直映射为开关频率。当输出电压低于参考值时，PI输出减小（频率数落）以提高增益；反之则增大频率。 局限性：轻载下增益弧线平坦，稳压才气丧失。

3.1.2 移相调制（PSM）—— 轻载与宽增益扩张

为了惩办轻载下的稳压问题，全桥LLC拓扑引入了移相适度。保捏开关频率固定（常常固定在 fr 或略高于 fr），调解超前桥臂与滞后桥臂之间的相位角 ϕ。

机理：移相转变了施加在谐振腔上的电压灵验占空比，从而数落了基波电压幅值，进而数落增益。 算法已矣：当PFM诡计出的频率向上预设上限 fmax 时，适度逻辑锁定频率，转而调解相位寄存器（如C2000中的TBPHS）。这种搀和适度权贵扩张了LLC的可控增益规模，同期甩手了最高责任频率，数落了EMI想象难度。

3.1.3 非对称PWM与Burp方式

在极轻载或待机方式下，为了进一步数落损耗，适度算法会投入Burst Mode（突发方式）或Burp Mode（打嗝方式） 。

适度逻辑：监测反馈变量（如频率或PI输出）。当负载低于阈值（如5%额定功率）时，紧闭PWM输出。输出电容防守负载供电，电压平稳下跌。当电压跌落至下限阈值时，复原PWM发波。 优化计策：为了幸免突发方式带来的音频噪声和谐振腔电流冲击，先进算法汲取“软进软出”计策，即在Burst波包的肇始和终结阶段，平稳增多和减小脉冲宽度，而非硬开关。

3.2 双向CLLC谐振变换器适度

SST常常条件双向能量传输（V2G、储能接口）。传统的LLC结构辱骂对称的，反向责任时（Buck方式变Boost方式）后果低下。因此，对称的CLLC（双向LLC）拓扑被已往汲取，其原副边均包含谐振电容和电感。

正反向适度计策各异：

正向方式（Forward Mode） ：原边全桥作念逆变，副边全桥作念同步整流。适度变量为原边频率。 反向方式（Reverse Mode） ：副边全桥作念逆变，原边全桥作念同步整流。适度变量为副边频率。 方式切换算法：适度器需及时监测功率流向辅导。切换历程中，必须先软关断刻下发送侧的PWM，经过死区时分恭候谐振电流衰减为零后，再软启动另一侧的PWM，以幸免硬换流酿成的电压尖峰。

3.3 输入串联输出并联（ISOP）均压适度

在中高压SST中，单个LLC模块无法承受沿途输入电压，必须汲取ISOP结构。由于器件参数翻脸性，模块间的输入电压（Vin_i）会出现不服衡。

均压适度算法架构：

该系管辖受双环适度架构，包含一个全球的输出电压环和多个局部的输入均压环。

全球环（Common Loop） ：采样总输出电压 Vout，通过PI适度器生周详球频率辅导 fcommon。

差分环（Differential Loop） ：每个模块采样自己的输入电压 Vin_i，并与平均输入电压 Vavg=Vin_total/N 进行相比。

均压逻辑：

若某模块 Vin_i>Vavg，诠释该模块阻抗过大（分压过多），需要增多其功率模糊量来泄放电荷。 在LLC的理性增益区（f<fr），数落频率会增多增益和功率。因此，该模块的执行频率辅导应为 fi=fcommon−Δf，其中 Δf=Kp(Vin_i−Vavg)。 违反，若责任在容性区或高频区（Buck方式），调解标的则违反。适度算法必需闪现刻下责任点位于增益弧线的哪一侧。

4. 同步整流（SR）的数字适度时间

同步整流是普及低压大电流输出侧后果的关节。在LLC中，副边电流呈正弦波状，且相位随频率变化，这使得SR的灵通和关断时机极难通过固定逻辑适度。

4.1 基于Vds检测的自恰当SR算法

这是当今最主流的数字SR适度决策。通过高速相比器或ADC检测SR MOSFET的漏源电压 Vds。

算法逻辑气象机：

恭候灵通（Wait for Turn-On） ：体二极管导通时，Vds 变为负值（约-0.7V）。当 Vds<Vth_on（如-300mV）时，判定二极管导通，延伸极短时分后开启MOSFET门极。 导通阶段（Conducting） ：MOSFET导通，Vds=I×Rds(on)，常常在mV级别。 恭候关断（Wait for Turn-Off） ：跟着谐振电流下跌，Vds 渐渐飞腾趋向0V。当 Vds>Vth_off（如-10mV）时，立即关断门极。

自恰当调解（Adaptive Tuning）：

由于相比器延伸和驱动延伸，执行上很难精准在电流过零点关断。数字适度器常常汲取逐周期的自恰当调解算法：

若是在关断后检测到体二极管不竭导通了较永劫分（死区过长），则下一周期的关断阈值 Vth_off 提高，或平直延长导通时分计数器。 若是在关断俄顷检测到反向电流（Vds 正向尖峰），诠释关断过晚，导致反流。下一周期需提前关断，减少导通时分20。

4.2 无传感器模子掂量SR

在极高频（>500kHz）SST中，传感器延伸不成忽略。此时汲取基于模子的SR算法。

算法旨趣：掌握FHA模子或时域分析，诡计出副边电流过零点相干于原边PWM边沿的时分差 tdelay。

在谐振点（fs=fr），电流与电压同相，SR导通时分约为 0.5Ts。 在偏离谐振点时，适度器凭证刻下的归一化频率 fn 和负载率，查表或通过简化的主见式及时诡计 ton 和 toff 时刻。这种行径抗干扰才气强，但对参数敏锐。

5. 经典代码结构与已矣（基于TI C2000 MCU）

本节将表面算法革新为具体的C话语代码结构，展示如安在镶嵌式系统中已矣上述适度逻辑。以TI C2000系列（如TMS320F280049C或F28379D）为例，这些芯片具备高分辨率PWM（HRPWM）、相比器子系统（CMPSS）和三角函数加快器（TMU），相配恰当LLC适度。

5.1 软件架构分层

郑重的数字电源固件常常汲取中断驱动的前后台架构：

Fast ISR (适度环路) ：优先级最高，运行频率常常与开关频率同步（如100kHz）或分频（如20kHz）。崇敬ADC采样读取、数字赔偿器诡计（2P2Z/3P3Z）、PWM寄存器更新、软启动陡坡生成。引申时分必须严格甩手（举例 < 5us）。 Background Loop (后台主轮回) ：处理非及时任务，如气象机治理、故障保护复原逻辑、通讯（CAN/UART）、温度监控、PID参数自整定等25。

5.2 关节数据结构界说

C

// 界说LLC适度器气象机成列

typedef enum {

LLC_STATE_IDLE, // 待机气象

LLC_STATE_SOFT_START, // 软启动气象（甩手电流）

LLC_STATE_NORMAL_OP, // 正常闭环运行

LLC_STATE_BURST_MODE, // 突发方式（轻载）

LLC_STATE_FAULT // 故障停机

} LLC_State_t;

// 界说2P2Z数字赔偿器结构体 (二阶IIR滤波器)

typedef struct {

float Ref; // 参考电压 (标幺值)

float Fdbk; // 反馈电压 (标幺值)

float Err; // 盘曲历史: e[n], e[n-1], e[n-2]

float Out; // 输出历史: u[n], u[n-1], u[n-2]

float Coeff_B; // 分子通盘: b0, b1, b2

float Coeff_A; // 分母通盘: a1, a2

float Max; // 输出上限 (对应最小频率/最大周期)

float Min; // 输出下限 (对应最大频率/最小周期)

} CNTL_2P2Z_t;

5.3 2P2Z适度律的C话语已矣

这是LLC闭环适度的中枢代码，常常运行在ISR中或由CLA（Control Law Accelerator）协处理器引申以检朴CPU资源。

C

// 2P2Z 赔偿诡计函数

// 差分方程: u[n] = b0*e[n] + b1*e[n-1] + b2*e[n-2] - a1*u[n-1] - a2*u[n-2]

#pragma CODE_SECTION(CNTL_2P2Z_Update, ".TI.ramfunc"); // 摈弃在RAM中运行以提高速率

void CNTL_2P2Z_Update(CNTL_2P2Z_t *v)

{

// 1. 诡计刻下盘曲

v->Err = v->Ref - v->Fdbk;

// 2. 引申差分方程 (掌握FPU辅导优化)

float output = (v->Coeff_B * v->Err) +

(v->Coeff_B * v->Err) +

(v->Coeff_B * v->Err) -

(v->Coeff_A * v->Out) -

(v->Coeff_A * v->Out);

// 3. 输出限幅 (防积分豪阔)

// 关于LLC，输出常常对应开关周期 Period

if (output > v->Max) {

output = v->Max;

} else if (output < v->Min) {

output = v->Min;

}

// 4. 更新历史数据，为下一次诡计作念准备

v->Err = v->Err;

v->Err = v->Err;

v->Out = v->Out;

v->Out = output;

v->Out = output; // 刻下适度量

}

26

5.4 软启动（Soft-Start）气象机已矣

软启动是防范谐振腔电流冲击和变压器豪阔的关节。SST常常汲取频率扫描法：从最高频率（增益最低）线性扫描至谐振频率。

C

// 在ISR中调用的软启动逻辑

void Run_SoftStart_ISR(void)

{

static float current_freq_hz = MAX_STARTUP_FREQ;

// 每一个ISR周期数落一定频率步长

current_freq_hz -= SOFT_START_STEP_HZ;

// 革新为PWM周期计数值 (SystemClock / Freq)

uint32_t period_ticks = (uint32_t)(SYSTEM_CLOCK_HZ / current_freq_hz);

// 更新PWM硬件寄存器 (使用影子寄存器Shadow Load确保波形好意思满)

EPWM_setTimeBasePeriod(LLC_PWM_BASE, period_ticks);

EPWM_setCounterCompareValue(LLC_PWM_BASE, EPWM_COUNTER_COMPARE_A, period_ticks / 2); // 保捏50%占空比

// 搜检是否达到正常责任频率或输出电压迷惑

if ((current_freq_hz <= NORMAL_OP_FREQ_LIMIT) |

(Vout_Sensed > VOUT_TARGET * 0.9)) {

// 切换气象机到正常闭环

MachineState = LLC_STATE_NORMAL_OP;

// 运革新PID积分项，防范切换俄顷跳变

LLC_Controller.Out = period_ticks;

LLC_Controller.Out = period_ticks;

}

}

29

5.5 同步整流（SR）自恰当调解逻辑

SR适度常常结合硬件相比器和软件调解。C2000 MCU的CMPSS模块不错检测电流过零，软件则微调导通时分。

C

// SR 自恰当调整逻辑 (在低频ISR或后台运行)

void SR_Adaptive_Adjustment(void)

{

// 读取上个周期的体二极管导通时分 (通过eCAP拿获或CMPSS标识位推算)

uint16_t body_diode_time = Read_BodyDiode_Conduction_Time();

// 谋划是保捏极短的体二极管导通时分 (举例 50ns)，保证ZCS且无反流

const uint16_t TARGET_TIME = 50; // ticks

if (body_diode_time > TARGET_TIME) {

// 二极管导通太久 -> 关断太早 -> 延长SR导通时分

SR_OnTime_Ticks++;

} else if (Check_Reverse_Current_Flag()) {

// 检测到反流 -> 关断太晚 -> 镌汰SR导通时分

SR_OnTime_Ticks -= 5; // 快速回调以保护器件

}

// 更新SR PWM 关断时刻

// 珍惜：SR的灵通常常由原边PWM同步或Vds相比器硬件直构兵发

EPWM_setCounterCompareValue(SR_PWM_BASE, EPWM_COUNTER_COMPARE_B, Period - SR_OnTime_Ticks);

}

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6. 前沿趋势：搀和滞环适度（HHC）与电流方式LLC

诚然PFM是经典行径，但其动态响应较慢，因为其实质是电压方式适度，且谐振腔具有二阶特点。SST的最新询查正转向搀和滞环适度（Hybrid Hysteretic Control, HHC） ，这是一种肖似于电流方式的适度行径。

HHC旨趣：

HHC不服直诡计频率。它掌握谐振电容电压 Vcr 算作气象变量。适度环路诡计出一个电荷阈值 Vth。

开关管灵通。 谐振电流对 Cr 充电，Vcr 飞腾。 当 Vcr 达到 Vth 时，相比器翻转，强制关断开关管。 该历程自动决定了脉宽和频率。

这种行径具有极快的瞬态响应和自然的输入电压前馈特点。在C2000 MCU中，通过成立片上DAC算作相比器阈值，并将CMPSS输出平直聚合到PWM跳闸区（Trip Zone），不错无需CPU骚动已矣逐周期的HHC适度。

7. 论断

SST中高频LLC变换器的适度想象是一项系统工程，它越过了浮浅的PID调解，触及对谐振槽能量气象的精准治理。从保证基本ZVS运行的死区时分优化，到应答宽规模输入的PFM/PSM搀和调制，再到普及后果的自恰当同步整流，每一个要领齐需致密耦合。

数字适度器（如C2000）通过其丰富的高速模拟外设（CMPSS, 150ps分辨率HRPWM）和刚劲的算力（CLA, FPU），使得复杂的适度计策（如ISOP均压、HHC、模子掂量SR）得以低本钱已矣。未来的SST适度固件将愈加依赖于这种软硬件协同想象（Software-Defined Power）开云体育(中国)官方网站，代码结构将愈加模块化，以恰当SST在智能电网中日益多变的变装。

发布于：广东省